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FORMULAÇÃO DE MASSA CERÂMICA PARA FABRICAÇÃO DE

TELHAS

LUCAS FONSECA AMARAL

UNIVERSIDADE ESTADUAL DO NORTE FLUMINENSE – UENF

CAMPOS DOS GOYTACAZES - RJ

FEVEREIRO - 2016

i


TELHAS


“Dissertação apresentada ao Centro de Ciência e

Tecnologia, da Universidade Estadual do Norte

Fluminense, como parte das exigências para

obtenção do título de Mestre em Engenharia e

Ciência de Materiais.”

Orientador: Prof. D.Sc. Carlos Maurício Fontes Vieira

CAMPOS DOS GOYTACAZES - RJ

FEVEREIRO – 2016

ii


TELHAS


“Dissertação apresentada ao Centro de Ciência e

Tecnologia, da Universidade Estadual do Norte

Fluminense, como parte das exigências para

obtenção do título de Mestre em Engenharia e

Ciência de Materiais.”

Área de Concentração: Materiais e meio ambiente

Orientador: Prof. D.Sc. Carlos Maurício Fontes Vieira

Aprovada em 05 de fevereiro de 2016

Comissão Examinadora:

Prof. Alline Sardinha Cordeiro Morais (D. Sc., Eng. e Ciência dos Materiais) – IFF

Prof. Mônica Manhães Ribeiro (D. Sc., Eng. e Ciência dos Materiais) – IFF

Prof. Rosane da Silva Toledo Manhães (D. Sc., Eng. e Ciência dos Materiais) –

UENF

Prof. Carlos Maurício Fontes Vieira (D. Sc., Eng. e Ciência dos Materiais) – UENF

(Orientador)

iii

AGRADECIMENTOS

À Universidade Estadual Norte Fluminense Darcy Ribeiro e aos professores

de pós-graduação do curso de Engenharia e Ciência dos Materiais, pelos

ensinamentos transmitidos.

Ao Prof. D. Sc. Carlos Maurício Fontes Vieira, meu orientador, pelo excelente

trabalho de orientação, pela disponibilidade irrestrita e o saber que transmitiu.

À D. Sc. Rosane da Silva Toledo Manhães, pelas orientações e

conhecimentos a mim transmitidos.

À minha família, a qual amo muito, em especial aos meus pais, José

Francisco Teixeira do Amaral e Albertina da Silva Fonseca Amaral, em que acima de

tudo me ensinaram o que é amor, e pela competência em educar-me e mostrar-me o

caminho certo, de forma ética e honrosa. Assim como pelo exemplo de

profissionalismo e dedicação em suas carreiras.

Ao meu irmão, Carlos Fonseca Amaral, meu alicerce, pelos diversos

conselhos e pelo exemplo de pessoa, cuja determinação me motiva e inspira.

Obrigado por trilhar o meu caminho.

À minha namorada, Jamila Rodrigues Barboza, meu grande amor, pelo

companheirismo e cumplicidade em todos os momentos desta jornada. Nossa

convivência me trouxe grandes ensinamentos, que só você poderia me proporcionar.

Ao meu tio Antônio Teixeira do Amaral Júnior por acreditar em mim, me

mostrar o caminho da ciência, e por ser o exemplo de profissional qual sempre fará

parte de minha vida.

Aos meus colegas de mestrado, em especial à Geovana, Juliana e Micaela,

por terem contribuído diretamente neste estudo, e ainda pelos momentos de

entusiasmo partilhados em conjunto.

Aos meus amigos de graduação Allan Ewerton, Bruno Coimbra, Franco

Simões, Jairo Barbieri e Lairo Feuchard.

Á agência financiadora deste projeto, FAPERJ.

iv

SUMÁRIO

LISTA DE TABELAS...........................................................................................iv

LISTA DE FIGURAS........................................................................................... v

1. INTRODUÇÃO .................................................................................. 1

2. OBJETIVOS ...................................................................................... 3

2.1. Geral .................................................................................................. 3

2.2. Específicos ........................................................................................ 3

3. JUSTIFICATIVAS .............................................................................. 4

4. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .............................................................. 5

4.1. A indústria de cerâmica vermelha ..................................................... 5

4.2. Matérias-primas utilizadas na fabricação de cerâmica vermelha ...... 6

4.2.1. Características das argilas de Campos dos Goytacazes .................. 8

4.2.2. Características das massas cerâmicas de Campos dos Goytacazes

17

4.3. Processamento de cerâmica vermelha ........................................... 32

4.3.1. Preparação da massa ..................................................................... 32

4.3.1.1. Reformulação de massa cerâmica utilizando diagrama de Winkler 33

4.3.1.2. Reformulação de massa cerâmica utilizando programação linear .. 36

4.3.2. Conformação das peças .................................................................. 38

4.3.2.1. Extrusão e prensagem .................................................................... 38

4.3.2.2. Prensagem semi-seco ..................................................................... 40

4.3.3. Secagem ......................................................................................... 42

4.3.4. Queima ............................................................................................ 46

4.3.4.1. Curva de queima teórica ................................................................. 48

5. MATERIAIS E MÉTODOS ............................................................... 50

5.1. Matérias-primas ............................................................................... 50

5.2. Métodos ........................................................................................... 50

5.2.1. Beneficiamento das matérias-primas .............................................. 50

5.2.2. Caracterização das matérias-primas ............................................... 50

5.2.2.1. Caracterização química ................................................................... 50

5.2.2.2. Caracterização mineralógica ........................................................... 51

5.2.2.2.1. Difração de raios X .......................................................................... 51

5.2.2.2.2. Dilatometria ..................................................................................... 51

5.2.2.3. Caracterização física ....................................................................... 51

v

5.2.2.3.1. Distribuição de tamanho de partículas ............................................ 51

5.2.2.3.2. Plasticidade ..................................................................................... 52

5.2.3. Formulação das massas cerâmicas ................................................ 52

5.2.4. Elaboração dos corpos de prova ..................................................... 54

5.2.5. Determinação das propriedades...................................................... 54

5.2.5.1. Plasticidade ..................................................................................... 54

5.2.5.2. Densidade aparente a seco ............................................................. 55

5.2.5.3. Absorção de água ........................................................................... 55

5.2.5.4. Retração linear ................................................................................ 55

5.2.5.5. Tensão de ruptura à flexão .............................................................. 56

5.2.6. Caracterização microestrutural ........................................................ 56

6. RESULTADOS E DISCUSSÃO ....................................................... 57

6.1. Análise mineralógica ....................................................................... 57

6.2. Análise química ............................................................................... 59

6.3. Distribuição granulométrica ............................................................. 64

6.4. Dilatometria ..................................................................................... 67

6.5. Propriedades das massas cerâmicas .............................................. 70

6.6. Plasticidade ..................................................................................... 70

6.7. Propriedades pós-queima. .............................................................. 72

6.7.1. Densidade aparente a seco ............................................................. 72

6.7.2. Absorção de água ........................................................................... 72

6.7.3. Retração linear de queima .............................................................. 74

6.7.4. Resistência mecânica ...................................................................... 76

6.8. Análise microestrutural .................................................................... 78

6.8.1. Microscopia Ótica ............................................................................ 78

6.8.2. Microscopia eletrônica de varredura ................................................ 81

7. CONCLUSÔES ............................................................................... 84

8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................ 86

vi

LISTA DE TABELAS

Tabela 01. Composição química das argilas de Campos dos Goytacazes. .............. 10

Tabela 02. Limites de Atterberg das argilas de Campos dos Goytacazes ................ 13

Tabela 03. Principais fases cristalinas e frações relativas de massa obtidas do

refinamento de Rietveld. .......................................................................... 16

Tabela 04. Composição química de massas cerâmicas de Campos dos Goytacazes

para produção de telhas. ......................................................................... 19

Tabela 05. Limites de Atterberg para as massas cerâmicas utilizando argilas de

Campos dos Goytacazes ......................................................................... 20

Tabela 06. Composição química da argila Taguá e das massas cerâmicas de

Campos, Santa Catarina, Piauí e Portugal. ............................................. 25

Tabela 07. Limites de Atterberg para as massas cerâmicas de Campos, Santa

Catarina, Piauí e Portugal. ....................................................................... 29

Tabela 08. Composição granulométrica dos produtos de cerâmica vermelha .......... 35

Tabela 09. Composição química das matérias-primas .............................................. 60

Tabela 10. Composição química das massas cerâmicas. ......................................... 64

Tabela 11. Massas cerâmicas estudadas. ................................................................ 67

Tabela 12. Limites de Atterberg para as argilas e formulações. ................................ 71

vii

LISTA DE FIGURAS

Figura 01. Classificação dos produtos cerâmicos........................................................ 5

Figura 02. Difratograma de raios Xdas argilas de Campos dos Goytacazes............... 9

Figura 03. Curvas ATD/TG das argilas de Campos dos Goytacazes........................ 12

Figura 04. Distribuição de tamanho de partículas das argilas de Campos dos

Goytacazes localizadas no diagrama de Winkler..................................... 14

Figura 05. Absorção de água das argilas de Campos dos Goytacazes.................... 14

Figura 06. Retração linear de queima das argilas de Campos dos Goytacazes....... 15

Figura 07. Tensão de ruptura à flexão das argilas de Campos dos Goytacazes.......16

Figura 08. DRX das massas cerâmicas utilizando argilas de Campos dos

Goytacazes............................................................................................... 17

Figura 09. Distribuição de tamanho de partículas das massas cerâmicas utilizando

argilas de Campos dos Goytacazes localizadas no diagrama de Winkler

...................................................................................................... 20

Figura 10. TG/DTG das massas cerâmicas utilizando argilas de Campos dos

Goytacazes............................................................................................... 21

Figura 11. ATD das massas cerâmicas utilizando argilas de Campos dos

Goytacazes............................................................................................... 21

Figura 12. Diagrama de gresificação das massas cerâmicas utilizando argilas de

Campos dos Goytacazes......................................................................... 22

Figura 13. Difratograma de raios X das massas cerâmicas de Campos, Portugal,

Santa Catarina e Piauí............................................................................. 26

Figura 14. Difratograma de raios X da argila taguá....................................................26

Figura 15. Curvas TG das massas cerâmicas de Campos, Piauí, Santa Catarina e

Portugal................................................................................................... 27

Figura 16. Curvas ATD das massas cerâmicas de Campos, Piauí, Santa Catarina e

Portugal................................................................................................... 28

Figura 17. Distribuição de tamanho de partículas das massas cerâmicas no

diagrama de Winkler. Ca: Campos, PT: Portugal, PI (Piauí) e SC (Santa

Catarina).................................................................................................. 29

Figura 18. Absorção de água para as massas cerâmicas de Campos, Santa

Catarina, Piauí e Portugal........................................................................30

viii

Figura 19. Retração linear de queima para as massas cerâmicas de Campos, Santa

Catarina, Piauí e Portugal........................................................................30

Figura 20. Tensão de ruptura à flexão para as massas cerâmicas de Campos, Santa

Catarina, Piauí e Portugal....................................................................... 31

Figura 21. Diagrama granulométrico de Winkler........................................................ 34

Figura 22. Variação da pressão de extrusão e da potência exercida pelo motor em

função do teor de umidade, para uma massa mais plástica e para outra

menos plástica......................................................................................... 39

Figura 23. Exemplificação em etapas da variação do grau de compactação do corpo

de prova em função da pressão de prensagem...................................... 41

Figura 24. Localização da água nas cerâmicas conformadas plasticamente............ 43

Figura 25. Curva de Bigot da composição: (a) massa industrial sem incorporação

adicional de areia e (b) massa industrial com 15% de areia................... 45

Figura 26. Difratograma de raios X da argila Campos............................................ 58

Figura 27. Difratograma de raios X da argila Muriaé............................................... 59

Figura 28. Difratograma de raios X da argila Itaboraí............................................. 59

Figura 29. Distribuição granulométrica da argila Campos..........................................65

Figura 30. Distribuição granulométrica da argila Muriaé............................................ 65

Figura 31. Distribuição granulométrica da argila Itaboraí........................................... 66

Figura 32. Distribuição de tamanho de partículas das argilas posicionadas no

diagrama de Winkler................................................................................ 67

Figura 33. Dilatometria das argilas e das formulações.............................................. 68

Figura 34.Prognóstico de extrusão das argilas e formulações...................................71

Figura 35. Densidade aparente à seco dos corpos cerâmicos.................................. 72

Figura 36. Absorção de água dos corpos cerâmicos................................................. 74

Figura 37. Retração linear de queima dos corpos cerâmicos.................................... 76

Figura 38. Resistência à flexão por três pontos dos corpos cerâmicos..................... 78

Figura 39. Microscopia ótica da argila C com aumento de 430x para as temperaturas

de 750 ºC (a) e 1050 ºC (b)..................................................................... 79

Figura 40. Microscopia ótica da argila I com aumento de 430x para as temperaturas

de 750 ºC (a) e 1050 ºC (b)..................................................................... 79

Figura 41. Microscopia ótica da argila M com aumento de 430x para as temperaturas

de 750 ºC (a) e 1050 ºC (b)..................................................................... 80

ix

Figura 42. Microscopia ótica da formulação W1 com aumento de 430x para as

temperaturas de 750 ºC (a) e 1050 ºC (b)............................................... 80

Figura 43. Microscopia ótica da formulação W2 com aumento de 430x para as


Figura 44. Microscopia ótica da formulação SE com aumento de 430x para as


Figura 45. Microscopia eletrônica de varredura da argila C para a temperatura de

1050 ºC com aumento de 100x (a) e 400x (b)......................................... 81

Figura 46. Microscopia eletrônica de varredura da argila I para a temperatura de


Figura 47. Microscopia eletrônica de varredura da argila M para a temperatura de


Figura 48. Microscopia eletrônica de varredura da formulação W1 para a

temperatura de 1050 ºC com aumento de 100x (a) e 400x (b)............... 82


temperatura de 1050 ºC com aumento de 100x (a) e 400x (b)............... 83

Figura 50. Microscopia eletrônica de varredura da formulação SE para a temperatura

de 1050 ºC com aumento de 100x (a) e 400x (b)....................................83

x

RESUMO

No município de Campos dos Goytacazes - RJ está abrigado um importante

polo brasileiro de cerâmica vermelha, onde está presente atualmente cerca 120

indústrias. No entanto, a produção deste município se concentra apenas em blocos

para vedação e lajotas, havendo poucas empresas fabricantes de telhas. Isto se

deve, principalmente, às características mineralógicas das argilas campistas, as

quais possuem deficiências que dificultam a obtenção de produtos mais exigentes,

como as telhas, e que possam atender as especificações técnicas vigentes. Na

tentativa de estimular a produção de telhas no município Campos dos Goytacazes –

RJ foram formuladas massas cerâmicas utilizando quatro diferentes matérias-

primas. Sendo três argilas de localidades distintas e uma areia quartzoza. As argilas

são oriundas de Campos dos Goytacazes – RJ, de Itaboraí – RJ e Muriaé – MG. As

matérias-primas foram caracterizadas por fluorescência de raios X, difração de raios

X, dilatometria e distribuição de tamanho de partículas. Foram utilizados dois

métodos para a formulação das massas cerâmicas, sendo eles por meio do

diagrama de Winkler e programação linear. Os corpos de prova foram conformados

por prensagem uniaxial a 35 MPa, com 8% de umidade, e queimados em quatro

níveis de temperatura, sendo de 750 ºC, 850 ºC, 950 ºC e 1050 ºC. As propriedades

avaliadas foram: densidade aparente a seco, retração linear, absorção de água e

resistência à flexão por três pontos. Os resultados demonstraram que a argila de

Campos dos Goytacazes – RJ possui elevado teor de partículas grosseiras, as quais

estão associadas ao quartzo, e que possivelmente foram responsáveis pelo alto

valor de absorção de água e baixo valor de resistência mecânica da formulação

contendo apenas esta argila. O uso do diagrama de Winkler e as demais matérias-

primas foram eficazes na tentativa de compor massas cerâmicas em conjunto com a

argila de Campos dos Goytacazes – RJ para fabricação de telhas, devido à melhoria

observada nas propriedades avaliadas.

Palavras-chave: cerâmica vermelha, cerâmica estrutural, massa cerâmica,

formulação, quartzo.

xi

ABSTRACT

In the city of Campos dos Goytacazes - RJ is located an important Brazilian

polo red ceramic, which currently has about 120 industries. However, the production

of red ceramic products in this city are focuses only on blocks for sealing and tiles,

with few tiles industries. This is due mainly by the mineralogical characteristics of

clays from Campos, which have deficiencies that hinder the achievement of more

exigent products, such as tiles, and that can satisfy the current technical

specifications. In attempting to stimulate the production of tiles in the city Campos

dos Goytacazes - RJ, ceramic bodies were formulated using four different raw

materials. Being three types of clay and sand, the clays are from Campos dos

Goytacazes – RJ, Itaboraí - RJ and Muriaé – MG. The raw materials were

characterized by X-ray fluorescence, X-ray diffraction, dilatometry and particle size

distribution. Two methods were used for the formulation of ceramic bodies, Winkler

diagram and linear programming. The specimens were shaped by uniaxial pressure

at 35 MPa, with 8% humidity, and burned at four temperature levels of 750 ºC, 850

ºC, 950 ºC and 1050 ºC. The properties evaluated were: dry bulk density, linear

shrinkage, water absorption and flexural strength. The results demonstrated that the

clay of Campos dos Goytacazes - RJ has high amount of coarser particles, which are

associated with the quartz and possibly were the responsible for the high value of

water absorption and low value of mechanical resistance of the formulation

containing only this clay. The use of Winkler’s diagram and the others raw materials

were effective in attempt to compose ceramic bodies together with the clay from

Campos dos Goytacazes - RJ for the manufacture of tiles due to the improvement

observed in the analyzed properties.

Keywords: red ceramic, structural ceramic, clay body, formulation, quartz.

1

1. INTRODUÇÃO

Cerâmica vermelha, também conhecida como cerâmica estrutural, é a

denominação atribuída à categoria de produtos que são utilizados na construção

civil, como tijolos, blocos, telhas e elementos vazados, e têm como característica sua

cor avermelhada. Estes produtos são derivados da argila, a qual de acordo com

Santos (1989) é definida como uma rocha finamente dividida, constituída

essencialmente de argilominerais, podendo apresentar concentrações de outros

minerais como quartzo, mica, pirita, hematita e também matéria orgânica e outras

impurezas. E ainda desenvolve plasticidade com quantidade apropriada de água, e

endurece após secagem e queima.

No Brasil existem aproximadamente 7.400 empresas produtoras de cerâmica

vermelha, com um faturamento em 2013 na ordem de R$21 bilhões, empregando

aproximadamente 293.000 funcionários diretos e cerca de 900.000 indiretos

(Anuário Estatístico, 2013). Ademais, no município de Campos dos Goytacazes - RJ

está abrigado um importante polo ceramista brasileiro. Segundo estimativas do

Sindicato dos Ceramistas, atualmente 120 fábricas empregam mais de 6.000

trabalhadores diretos. Munidos dessas informações, percebe-se a importância deste

setor para a economia estadual e nacional.

Apesar disto, a produção do município se concentra apenas em blocos para

vedação e lajotas, havendo poucas empresas fabricantes de telhas (RAMOS;

ALVES; ALEXANDRE, 2006). Isto se deve, principalmente, às características das

argilas campistas, as quais possuem deficiências que dificultam a obtenção de

produtos mais exigentes, como as telhas, e que possam atender as especificações

técnicas vigentes. Estas deficiências foram avaliadas por Vieira, Soares e Monteiro

(2003), quando compararam argilas de Campos dos Goytacazes com outras três

argilas que são matérias-primas para produção de telhas de reconhecida qualidade

técnica. Desta forma, observaram que as massas cerâmicas campistas são

excessivamente plásticas, e apresentam elevado teor de Al2O3, às quais acarretam

dificuldades no sistema produtivo, causando prejuízo da qualidade técnica e/ou

aumento do custo de produção.

No entanto, essas deficiências podem ser superadas com a incorporação de

outras matérias-primas na massa cerâmica. Deste modo, torna-se conveniente

2

localizar argilas próximas à região de Campos dos Goytacazes que eventualmente

possam superar ou minimizar as deficiências das argilas locais.

Entretanto, Peçanha Junior (2006) destaca que as empresas realizam esta

mistura de forma empírica, avaliando a facilidade de extrusão, por meio do

monitoramento da corrente elétrica da extrusora, e aspectos visuais das peças

recém extrudadas. Isto, além de obsoleto, eleva o custo de produção, reduz a

margem de lucro e afeta a competitividade das empresas.

Dentre os métodos utilizados para formular massas cerâmicas, será abordado

neste trabalho o diagrama de Winkler e a programação linear. O primeiro é um

diagrama ternário, baseado na distribuição do tamanho de partículas das matérias-

primas utilizadas na produção de cerâmica vermelha. Deste modo, ele sugere

regiões delimitadas que seriam apropriadas para fabricação de cada produto

(HEUSTEK, 1964 apud SANTOS, 1989). Por sua vez, a programação linear é uma

das técnicas da pesquisa operacional que busca a resolução de problemas de

otimização, dado um conjunto de restrições lineares. Com este método, busca-se

formular massas cerâmicas que reproduzam uma composição química pré-

determinada. Desta forma, tais métodos podem auxiliar no desenvolvimento de

formulações, visto que esta é uma atividade complexa, devido ao elevado número

de matérias-primas que possam fazer parte da composição.

Destaca-se que ao desenvolver esta pesquisa e dar resposta à validade

destes métodos, em termos de formulação da massa cerâmica, está sendo dado um

subsídio de informação ao empresário que pretenda investir neste setor.

Considerando a possibilidade de aumento de sua competitividade, em virtude da

melhoria da qualidade do produto final, entende-se que tais empresas estariam mais

aptas a atuar no longo prazo, contribuindo com benefícios sociais, como a geração

de emprego e renda. Considerando ainda que os ganhos obtidos nesse setor, em

termos de redução de custo, possam refletir em preços mais baixos para o produto

final, isto poderia conduzi-los ao maior acesso por parte do consumidor. Por fim, é

possível destacar um benefício ambiental direto, em função da otimização da

composição da massa cerâmica, evitando desperdícios associados à sua produção.

3

2. OBJETIVOS

2.1. Geral

Objetiva-se formular massa cerâmica com a utilização de argilas presentes na

região de estudo para produção de telhas cerâmicas, a fim de que se obtenha um

procedimento racional de misturas.

2.2. Específicos

Determinar as características físicas, químicas e mineralógicas das matérias-

primas;

Identificar matérias-primas que possam fazer parte das formulações de

massas cerâmicas utilizando argilas da região de Campos dos Goytacazes –

RJ;

Desenvolver formulações cerâmicas, utilizando os recursos do diagrama de

Winkler e pela programação linear;

Avaliar as propriedades físicas e mecânicas dos corpos de prova;

Determinar a melhor composição para produção de telhas utilizando as

matérias-primas em estudo.

4

3. JUSTIFICATIVAS

Como justificativas deste trabalho destacam-se:

Fornecimento de subsídio de informação ao empresário que pretenda investir

no setor;

Possibilidade da melhoria da qualidade do produto final;

Possibilidade da redução do custo na produção de telhas;

Melhoria da sustentabilidade das indústrias produtoras de cerâmica vermelha.

5

4. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

4.1. A indústria de cerâmica vermelha

O setor cerâmico compreende uma variedade de produtos, de natureza e

aplicações diversas. Eles estão categorizados em grupos, os quais são divididos

com base em critérios relacionados à finalidade do produto, suas propriedades e à

natureza das matérias-primas. A Associação Brasileira de Cerâmica (ABCeram)

classifica estes grupos em cerâmica vermelha, materiais de revestimento, cerâmica

branca, materiais refratários, isolantes térmicos, fritas e corantes, abrasivos, vidro

cimento e cal e cerâmica avançada. A Figura 1 contém esta classificação,

relacionando ainda os diversos grupos cerâmicos com a natureza de sua matéria-

prima, bem como as principais características dos processos de fabricação (MOTTA,

2001).

Figura 1. Classificação dos produtos cerâmicos.

Fonte: Motta (2001).

6

O grupo cerâmico estudado neste trabalho, a cerâmica vermelha, conhecido

também como cerâmica estrutural, contempla os produtos para fins estruturais,

caracterizados por sua cor avermelhada, são eles, tijolos, blocos, pavimentos

extrudados (adoquins), telhas, tubos, lajes para forro, lajotas, vasos ornamentais e

agregados leves de argila expandida. Estes produtos se diferenciam pelas suas

características e propriedades, as quais são influenciadas pelas matérias-primas e

condições de processamento empregadas (MOTTA, 2001). A argila, principal

matéria-prima da cerâmica vermelha, possui propriedades que a torna apropriada

para produtos de aplicação estrutural. Na conformação, ela é responsável por

conferir trabalhabilidade na massa, por meio da plasticidade, e pela resistência

mecânica a cru; e após o tratamento térmico, ela é responsável por promover a

sinterização, e como consequência, há a elevação de sua resistência mecânica.

O termo plasticidade se refere ao comportamento desenvolvido pelo material

quando se deforma permanentemente após a aplicação de uma força sem se

romper, e mantém esta forma após a remoção da força. Isto é fundamental no

processamento da cerâmica vermelha, em que a massa necessita apresentar

resistência suficiente para permanecer na forma desejada após a conformação das

peças (MURRAY, 2006). De acordo com Santos (1989), a argila desenvolve

plasticidade quando em contato com água, isto é consequência da força de atração

entre os argilominerais em conjunto com a ação lubrificante da água entre as

partículas anisométricas lamelares. Ou seja, a argila desenvolverá plasticidade

quando houver água suficiente para cobrir toda a área superficial acessível dos

argilominerais. A plasticidade da argila permite que estes produtos possam ser

conformados por extrusão, contribuindo para redução do custo de produção. Desta

forma, constata-se a importância desta propriedade para a cerâmica vermelha,

principalmente por ser um setor caracterizado por produtos de baixo valor agregado,

onde o retorno financeiro é minimizado.

A cor avermelhada predominante na cerâmica estrutural é fruto de diversos

fatores, porém, sabe-se que a oxidação do ferro é o principal responsável. Argilas

que possuem concentração de Fe2O3 maior que 5% já são consideradas

apropriadas para conferir esta coloração ao produto queimado (MURRAY, 2006).

4.2. Matérias-primas utilizadas na fabricação de cerâmica vermelha

7

A indústria de cerâmica vermelha utiliza basicamente dois tipos de matérias-

primas, e são classificadas em materiais plásticos e não plásticos (MOTTA et al.,

2002). A matéria-prima plástica mais utilizada é argila, sendo o principal componente

da massa cerâmica. Guggenheim e Martin (1995) publicaram um artigo relatando a

origem dos estudos sobre a definição de argila e argilomineral, bem como

propuseram suas respectivas definições por meio do relatório dos comitês de

nomenclatura do AIPEA (Association Internationale Pour L’Etude des Argiles) em

conjunto com CMS (The Clays Minerals Society). De acordo com estes autores, a

primeira definição foi formalizada em 1546 por Agrícola, e desde então foi sendo

revisada e modificada, apesar dos fundamentos envolvendo plasticidade, tamanho

de partícula e dureza após queima foram mantidos por diversos autores. O termo

argila é então definido por Guggenheim e Martin (1995) como um material que

ocorre naturalmente, composto principalmente por minerais de granulação fina, que

geralmente desenvolve plasticidade com quantidade apropriada de água, e

endurecerá após secagem e queima. Embora a argila contenha filossilicatos, ela

pode conter outros materiais que conferem plasticidade e dureza após secagem e

queima. Fases associadas à argila podem incluir ainda materiais que não conferem

plasticidade e também matéria orgânica.

Como prática comum nas indústrias cerâmicas, os materiais não plásticos são

utilizados quando necessita de adequação na plasticidade da massa, ou de alguma

propriedade do produto. Eles agem reduzindo a quantidade de água interpartículas

ou intercamadas disponíveis no produto conformado. Dentre eles cita-se o

fesldspato, chamote (resíduos de cerâmica após processamento térmico), areia, filito

e resíduos de mineração (NORTON, 1973; VAN VLACK, 1973; MOTTA et al., 2002).

Os argilominerais são os principais minerais constituintes da argila,

caracterizados quimicamente como silicatos de alumínio hidratados, podendo conter

magnésio, ferro, cálcio, sódio, potássio, lítio e outros elementos (Comitê

Internacional para o Estudo de Argilas,1959 apud SANTOS, 1989). Estes constituem

a “fração argila” de uma massa argilosa, pois é a fração que contém as partículas de

menores diâmetros, com frequência, possuindo diâmetro esférico equivalente inferior

a 2 µm, por isso estes minerais apresentam uma elevada área superficial específica

(SANTOS, 1989; MOTTA et al., 2002).

Os argilominerais são formados basicamente por dois grupos fundamentais

que apresentam folhas em arranjo hexagonal de tetraedros e folhas em arranjo

8

hexagonal de octaedros. Essas folhas são construídas com íons de oxigênio e íons

hidroxila ao redor de cátions, principalmente, Si4+ e Al3+, nos grupos tetraédricos e

Al3+, Mg2+, Fe2+, Fe3+, Ti4+, nos grupos octaédricos. Cabe ressaltar, que é muito

comum a substituição isomórfica dos cátions em argilominerais. A disposição do

empilhamento destas folhas, bem como o tipo de cátion existente, difere para os

vários tipos de argilominerais, de onde resulta a forma, morfologia ou hábito lamelar

da maioria das partículas dos argilominerais (SANTOS, 1989).

A caulinita é o argilomineral mais presente na crosta terrestre, e por isso está

disponível na maioria das argilas naturais. Esta disponibilidade se deve à origem da

formação deste argilomineral. O cristal é formado pelo empilhamento regular de

camadas 1:1, em que cada camada consiste de uma folha de tetraedros SiO4 e uma

folha de octaedros Al2(OH)6, ligadas entre si através de oxigênio em comum. As

camadas são ligadas por forças de Van der Waals, entre os íons O4- e OH-. A

fórmula estrutural da cela unitária é Al2O3.2SiO2.2H2O, e apresenta composição

percentual de SiO2 = 46,54%; Al2O3 = 39,50%; H2O = 13,96%. Existe ainda uma

infinidade de outros argilominerais presentes na natureza, citam-se: ilita, haloisita,

montmorilonita, cloritas, e outros (NORTON, 1973; SANTOS, 1989).

Deste modo, sabendo que as argilas se diferenciam em quantidades e

diversidades de argilominerais e outros minerais não argilosos, é primordial

caracterizá-la visando seu uso tecnológico, de modo a conhecer a variabilidade de

suas propriedades.

4.2.1. Características das argilas de Campos dos Goytacazes

Campos dos Goytacazes – RJ abriga um tradicional polo de cerâmica

vermelha no Brasil, em que aproximadamente 100 cerâmicas são responsáveis por

consumir em torno de 5.000 m3 de matéria-prima/dia, segundo estimativas do

sindicato dos ceramistas. A abundância de argilas nesta região é devido ao

transporte de sedimentos quaternários carreados pelo rio Paraíba, que forma a

planície aluvial-delta (LAMEGO, 1974). Estas argilas frequentemente são

denominadas segundo suas características visuais, como argila amarela, argila

amarela-acinzentada, argila cinza e argila preta, ou ainda da localidade em que

foram extraídas, como argila de Visconde, Itaboraí, Silva Jardim, entre outros. No

entanto, é comum que estas argilas sejam classificadas no pátio da indústria como

9

forte ou fraca. Os termos forte e fraco referem-se à propriedade plástica da argila,

sendo, portanto a argila forte considerada mais plástica e a argila fraca considerada

menos plástica. Porém, estes termos são empíricos, e por muitas vezes, uma argila

considerada forte em uma região é menos plástica que outra argila considerada

fraca em outra região. Convém ressaltar que a plasticidade da massa cerâmica está

associada à quantidade de argilominerais presentes, assim, quanto maior o teor de

argilominerais, maior será a plasticidade da massa.

As argilas da baixada campista já foram caracterizadas por diversos

pesquisadores, e apresentaram resultados similares. Mineralogicamente, de acordo

com a Figura 2, elas contêm a caulinita como argilomineral predominante.

Encontram-se também, frequentemente, a presença de alguns minerais acessórios

como quartzo, mica e gibbsita e outros argilominerais, como ilita e montmorilonita, há

alguns que ainda detectaram a presença de goetita e rutilo (MONTEIRO; VIEIRA,

2002, TOLEDO, 2003)

Figura 2. Difratograma de raios X das argilas de Campos dos Goytacazes.

Fonte: Monteiro e Vieira (2002).

10

Em relação à composição química, como pode ser vista na Tabela 1, a

mesma semelhança é observada entre as argilas da região de Campos dos

Goytacazes – RJ. Em exceção a algumas argilas consideradas fracas pelos autores,

elas contêm teor de óxido de silício < 50,00%, enquanto o óxido de alumínio é

encontrado como o segundo composto mais abundante, e está presente em teores >

21,00%.

Estes óxidos, quando presentes na argila, em grande parte estão associados

formando a estrutura dos argilominerais. Entretanto, o óxido de silício pode também

estar presentes na forma de quartzo (SiO2), enquanto o óxido de alumínio como

constituinte da gibbsita. Por isto, o alto teor de Al2O3 pode estar associado à maior

refratariedade deste material, necessitando assim de mais energia para consolidar

as partículas na etapa de queima (MONTEIRO; VIEIRA, 2002).

Em relação aos óxidos considerados fundentes (Na2O e K2O) e ao óxido de

ferro (Fe2O3), nota-se pouca variação de sua presença nas diferentes argilas, à

exceção das argilas cinza e preta, quais possuem quantidades menores de Fe2O3.

A composição química indica também que as argilas de Campos dos

Goytacazes - RJ têm composição tipicamente caulinítica, a qual se pode confirmar

nos difratogramas (Figura 2) e análise térmica (Figura 3). Esta dedução pode ser

feita por meio da relação SiO2/Al2O3, em que a caulinita teórica possui valor de 1,18

para esta relação. Portanto, em argilas cauliníticas, quanto mais próximo deste valor,

maior será a quantidade deste argilomineral.

Em relação à perda ao fogo, nota-se pouca variação entre as argilas, em que

com frequência estão maiores que 12%, à exceção da argila fraca 2. A perda ao

fogo destas argilas está associada, sobretudo à desidroxilação do argilomineral

caulinita, e também dos minerais gibbisita e goetita (VIEIRA, 2001).

Tabela 1. Composição química das argilas de Campos dos Goytacazes.

Argilas Composição

SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 CaO MgO K2O Na2O PF

Forte 2(1) 46,42 27,90 09,10 01,32 00,22 00,71 01,67 00,36 11,96

Forte 3(1) 43,21 29,21 09,38 01,47 00,24 01,13 01,45 00,53 12,72

Forte 4(1) 43,53 31,60 08,64 01,29 00,13 00,75 01,26 00,32 12,47

Forte 5(3) 42,09 30,90 10,92 01,28 00,13 00,74 01,04 00,32 12,55

Forte 6(4) 41,42 31,22 06,43 00,08 00,05 00,22 00,80 00,22 17,12

11

Forte 7(4) 42,27 30,14 06,42 00,77 00,06 00,27 01,16 00,32 15,06

Forte 8(4) 40,63 30,17 05,10 00,79 00,15 00,36 00,84 00,56 18,65

Fraca 2(2) 53,45 22,67 09,05 01,17 00,45 00,83 02,02 00,57 09,52

Fraca 3(4) 41,08 27,76 09,94 00,82 00,07 00,44 01,16 00,38 15,67

Fraca 4(4) 40,66 30,30 08,41 00,83 00,06 00,31 01,10 00,30 16,01

Fraca 5(4) 39,25 27,82 09,92 00,85 00,14 00,44 01,16 00,32 16,13

Amarela(5) 44,70 29,03 09,15 01,34 00,28 01,09 01,55 00,40 12,11

Cinza(5) 46,73 32,42 04,00 01,50 00,19 00,66 01,19 00,41 12,79

Preta(5) 45,18 31,32 03,82 01,18 00,30 00,45 00,62 00,37 16,63

Amarela-

acinzentada(5)

44,07 29,97 09,15 01,36 00,22 01,04 01,44 00,47 12,03

(1)SOUZA et al. (2005).

(2)SOUZA; HOLANDA (2012).

(3)MILHEIRO et al. (2005).

(4)MONTEIRO; VIEIRA (2004).

(5)VIEIRA (2001).

A análise termogravimétrica (TG), representada graficamente na Figura 3,

confirma os resultados previstos por meio da composição química e mineralógica.

Nota-se a presença da caulinita como argilomineral predominante, devido à alta

perda de massa em temperaturas entre 425 ºC a 550 ºC, faixa de temperatura esta

responsável pela desidroxilação dos argilominerais. Verificam-se alguns picos em

temperaturas em torno de 260 ºC, constatando a presença de alguns hidróxidos,

como gibbsita (Al(OH3) e goethita (α-FeO.OH), associados à elevação da perda ao

fogo.

Ainda de acordo com a Figura 3, constata-se que as argilas da região de

Campos dos Goytacazes – RJ possuem comportamento térmico, analisado por meio

da análise térmica diferencial (ATD), semelhante. Nota-se a presença de picos

endotérmicos nas temperaturas em torno de 60 ºC, característicos da perda de água

livre, e em 260 ºC, provavelmente devido à decomposição da gibbsita e goethita.

Verifica-se a ausência de picos endotérmicos na temperatura próxima a 573 ºC,

portanto, nota-se que nas argilas de Campos dos Goytacazes – RJ não é

característico a presença excessiva do mineral quartzo.

12

Figura 3. Curvas ATD/TG das argilas de Campos dos Goytacazes.

Fonte: Vieira (2001).

É possível observar na Tabela 2 que as argilas de Campos dos Goytacazes -

RJ possuem limites de plasticidade (LP) bastante próximos, inclusive entre as argilas

fortes e fracas. Este parâmetro indica a quantidade mínima de água necessária para

conformar o produto. O índice de plasticidade (IP) está associado à faixa entre a

consistência plástica e líquida (IP = LL – LP), ou seja, quanto maior esta faixa,

melhor é para o processamento, pois permite maiores variações no teor de água na

etapa de conformação sem influenciar significativamente na consistência plástica da

massa (VIEIRA; SÁNCHEZ; MONTEIRO, 2008).

Marsigli e Dondi (1997) sugerem valores de LL e IP para os comportamentos

ótimo e aceitável na extrusão. Para tanto, eles determinam que o IP deva variar

entre 15% e 25%, enquanto o LP deve variar entre 18% a 25%. Desta forma,

percebe-se que as argilas de Campos estão fora destas faixas, indicando a possível

problemática no processamento do material.

Como supracitado, esta característica deve-se à predominância do

argilomineral caulinita na massa composta pelas argilas de Campos dos Goytacazes

- RJ. Ressalta-se que a caulinita é o argilomineral com menor área superficial

específica, e portanto, dentre os argilominerais, é considerada a menos plástica

13

(SANTOS, 1989). No entanto, as argilas de Campos são excessivamente plásticas

por possuírem elevadas quantidades de argilominerais (VIEIRA, 2001).

Tabela 2. Limites de Atterberg das argilas de Campos dos Goytacazes

Argilas Limites de Atterberg

LP (%) LL (%) IP (%)

Amarela (1) 29 62 33

Amarela – acinzentada (1) 30 69 39

Cinza (1) 30 64 34

Preta (1) 28 64 36

Forte 1 (2) 32 60 28

Forte 2 (3) 30 68 38

Forte 3 (3) 25 69 44

Forte 4 (3) 30 67 37

Fraca 1 (2) 26 49 23

Fraca 2 (3) 29 65 36

Fraca 3 (3) 29 69 40

Fraca 4 (3) 28 66 38

(1) VIEIRA (2001).

(2) VIEIRA; PINHEIRO (2011)

(3) MONTEIRO; VIEIRA (2004)

A Figura 4 contém a posição das argilas amarela, amarela-acinzentada, cinza

e preta no diagrama de Winkler. Verifica-se que a argila amarela é a única das

argilas que se encontra em uma das regiões apropriada para fabricação de produtos

de cerâmica vermelha, ainda assim, é a região associada à fabricação de produtos

com dificuldades de conformação. As demais argilas localizam-se acima desta

região, por possuírem granulometria essencialmente fina, associada aos

argilominerais. Desta forma, eventuais formulações envolvendo quaisquer destas

argilas não seriam capazes de adequá-las em nenhuma das regiões apropriadas à

fabricação de cerâmica vermelha. Visto que para isto, dever-se-ia adicionar

matérias-primas com granulometria mais grosseira, a fim de melhorar o

processamento.

14

Figura 4. Distribuição de tamanho de partículas das argilas de Campos dos

Goytacazes localizadas no diagrama de Winkler.

Fonte: Vieira (2001).

Monteiro e Vieira (2002) avaliaram as propriedades tecnológicas das argilas

amarela, amarela-acinzentada, cinza e preta. Na Figura 5, qual contém os valores

de absorção de água (AA) para estas argilas, nota-se que apenas a argila cinza

atingiu o valor de AA requerido pela norma brasileira (NBR 15310) para a

temperatura de 950 ºC, qual é utilizada para fabricação de telhas. Assim, verifica-se

que as argilas de Campos dos Goytacazes – RJ têm dificuldade de atingir o valor de

AA que a NBR 15310 estabelece.

Figura 5. Absorção de água das argilas de Campos dos Goytacazes.

Fonte: Monteiro; Vieira (2002).

15

A retração linear de queima (RL), avaliada por Monteiro e Vieira (2002), para

as mesmas argilas, está representada na Figura 6. É possível notar que nenhuma

das argilas atingiu o valor mínimo que sugere Más (2002), que é de 2%. A elevada

retração linear de queima das argilas de Campos dos Goytacazes – RJ é devido à

quantidade elevada de perda ao fogo, como consequência do elevado teor de

argilominerais e de hidróxidos. A elevada RL prejudica os produtos, devido ao fato

da maior probabilidade de ocorrência de trincas, e também de manter o padrão

dimensional requerido. Inclusive, Vieira (2001) relatou que a argila preta quando

queimada em 1100 ºC e 1250 ºC foi verificada a presença de trincas que

impossibilitaram o ensaio de tensão de ruptura à flexão.

Figura 6. Retração linear de queima das argilas de Campos dos Goytacazes.


Ainda em relação às argilas estudadas por Monteiro e Vieira (2002), a

resistência mecânica avaliada por eles, por meio da tensão de ruptura à flexão, está

representada na Figura 7. Santos (1989) sugere que valores de ruptura à flexão para

telhas, deve ser maior que 65 kgf/cm2, ou 6,37 MPa. Deste modo, verifica-se que

todas as argilas atingiram este valor recomendado, desde a temperatura de 950 ºC.

Concluindo que as argilas de Campos dos Goytacazes – RJ têm deficiências que

dificultam a obtenção de produtos, principalmente as telhas, que possam atender as

propriedades de AA e RL, não sendo observada esta dificuldade para a RM.

16

Figura 7. Tensão de ruptura à flexão das argilas de Campos dos Goytacazes.


Toledo (2003) também realizou uma pesquisa envolvendo a caracterização de

argilas de Campos dos Goytacazes – RJ. Neste trabalho foram extraídas amostras

de jazidas já exploradas por indústrias cerâmicas da região do município de Campos

dos Goytacazes – RJ e estas amostras eram provenientes de quatro diferentes

jazidas. Em relação à composição mineralógica, Toledo (2003) quantificou as fases

cristalinas, por meio do método de Rietveld, e obteve fração mássica, representada

na Tabela 3. Desta forma, esta análise reafirma o padrão mineralógico apresentado

pelas argilas de Campos dos Goytacazes, confirmado a presença majoritária do

argilomineral caulinita como constituinte mineral, seguido do quartzo, anatásio e

gibbsita.

Tabela 3. Principais fases cristalinas e frações relativas de massa obtidas do

refinamento de Rietveld.

Fase Cristalina Fração Massa (%)

Calinita 85,75 ± 0,74

Quartzo 5,45 ± 2,97

Anatásio 5,16 ± 4,95

Gibbsita 3,64 ± 6,36

Fonte: Toledo (2003)

17

4.2.2. Características das massas cerâmicas de Campos dos Goytacazes

Monteiro, Sànchez e Vieira (2004) realizaram um estudo de caracterização e

comparação entre massas cerâmicas de Campos dos Goytacazes – RJ utilizadas

para fabricação de telhas. Assim, dispuseram-se de três distintas massas cerâmicas,

denominadas de B1, B2 e B3. Sendo que a B1 é uma mistura entre duas argilas,

chamadas de forte e fraca. A B2 é composta pela mesma mistura das duas argilas

referentes à massa B1 com adição de 3% de resíduo gerado no processo de

produção de coke. E a terceira massa cerâmica, denominada B3, é composta por

outra argila denominada forte, também oriunda da região de Campos dos

Goytacazes – RJ com adição de 10% de areia.

Os resultados de difração de raios X destas massas cerâmicas estão

dispostos na Figura 8. As três massas contêm as mesmas estruturas minerais

cristalinas, qual foram identificadas pelos picos de difração. O argilomineral presente

é a caulinita, e também é verificada a ocorrência de gibbsita, mica e quartzo, que

está de acordo com os resultados encontrados para as argilas de Campos dos

Goytacazes – RJ, Figura 2.

Figura 8. DRX das massas cerâmicas utilizando argilas de Campos dos Goytacazes.

Fonte: Monteiro; Sanchez; Vieira (2004).

18

A composição química das massas B1, B2 e B3, representada na Tabela 4,

indica a similaridade com as argilas de Campos dos Goytacazes – RJ, Tabela 1.

Como esperado, o constituinte predominante é o SiO2, seguido de Al2O3. O baixo

teor de SiO2 e o alto teor de Al2O3, quando associados ao alto valor de perda ao

fogo, indicam quantidade elevada de argilomineral, e baixa quantidade de quartzo.

No entanto, Monteiro, Sanchez e Vieira (2004) ressaltam que deve-se considerar

que nem toda alumina presente na massa cerâmica está associada aos

argilominerais, como visto na Figura 8. Ainda de acordo com a Tabela 4, nota-se o

alto teor de óxido de ferro nas massas B1 e B2, qual se compara ao das argilas de

Campos dos Goytacazes – RJ, Tabela 1.

Segundo Monteiro, Sanchez e Vieira (2004), os óxidos alcalinos terrosos

(CaO e MgO) quando presentes na massa argilosa estão associados a carbonatos

de cálcio e/ou magnésio. Logo, como verificado na Figura 8, há ausência de picos

relativos à esses minerais nas massas de Campos dos Goytacazes – RJ. Portanto,

como era esperado, as massas deste estudo possuem baixos teores de CaO e

MgO.

Em referência aos óxidos alcalinos (Na2O e K2O), Tabela 4, verifica-se o baixo

teor destes óxidos em todas as massas, quando comparados com argilas utilizadas

para produção de produtos de reconhecida qualidade técnica (Tabela 6). Estes

óxidos são capazes de atuar reduzindo a temperatura de formação de fase líquida

no processo de sinterização, indicando, portanto, que a queima destas massas deve

ser efetuada em temperaturas mais altas para alcançar os valores das propriedades

requeridas, especialmente a absorção de água, que deve ser menor que 20% (NBR

15310).

A perda ao fogo indica, sobretudo, a quantidade de argilominerais presente na

massa cerâmica. Apesar da desidroxilação da gibbsita e da goetita, minerais estes

presentes nas argilas da região de Campos dos Goytacazes – RJ, e da combustão

da matéria orgânica contribuírem também para a perda ao fogo, suas parcelas na

participação da perda ao fogo é essencialmente menor que a da desidroxilação dos

argilominerais, em vista de sua grande quantidade presente nas argilas. Portanto,

corroborando com os resultados presentes na Tabela 1, verifica-se a alta perda ao

fogo das massas cerâmicas (Tabela 4) utilizando argilas de Campos dos Goytaczes

– RJ.

19

Tabela 4. Composição química de massas cerâmicas de Campos dos Goytacazes

para produção de telhas(1).

Massas

Cerâmicas

Composição Química (%)

SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 K2O Na2O CaO MgO Perda

ao fogo

B1 42,56 29,29 09,15 01,40 01,42 00,53 00,22 01,05 11,60

B2 43,38 28,74 10,61 01,32 01,47 00,42 00,42 01,03 12,14

B3 49,25 27,98 03,45 01,07 00,62 00,36 00,28 00,39 14,65


Monteiro, Sanchez e Vieira (2004) determinaram a distribuição de tamanho de

partículas das três massas cerâmicas (B1, B2 e B3) e as posicionaram no diagrama

de Winkler. (Figura 9). Assim, concluíram que as três massas possuíam excessiva

quantidade da fração relativa aos argilominerais (< 2 µm), confirmando a análise

prevista por meio da composição química, sendo que estes resultados corroboram

com os encontrados para as argilas da região de Campos dos Goytacazes – RJ, já

que estas massas foram elaboradas utilizando argilas desta região. Repara-se que

apenas a massa B1 situa-se dentro da região apropriada para fabricação de telhas,

sendo que as outras duas massas (B2 e B3) não estão localizadas em qualquer

região apropriada para fabricação de cerâmica vermelha. Fato este devido às argilas

de Campos dos Goytacazes – RJ possuírem excessiva fração relativa aos

argilominerais, conferindo alta plasticidade para as massas cerâmicas. Os autores

supracitados ressaltam que estas características causam dificuldades de

conformação das peças e aumento da retração linear de secagem e de queima.

20

Figura 9. Distribuição de tamanho de partículas das massas cerâmicas utilizando

argilas de Campos dos Goytacazes localizadas no diagrama de Winkler.


Ainda de acordo com Monteiro, Sanchez e Vieira (2004), os resultados

encontrados por eles em relação aos limites de Atterberg para as massas B1, B2 e

B3 estão dispostos na Tabela 5. Estes resultados confirmam a análise prevista pela

distribuição de tamanho de partículas (Figura 9). A plasticidade da massa cerâmica

está relacionada com o teor relativo de argilominerais presente, assim, quanto maior

este teor, maior será a plasticidade da massa. Portanto, de acordo com estes

autores, verifica-se que os limites de plasticidade (LP) das três massas cerâmicas

são considerados altos para produção de cerâmica vermelha. Isto pode acarretar

algumas dificuldades no processo produtivo, como a maior necessidade de água

para conformação de produtos, mais energia consumida na etapa de secagem e

também de queima.

Tabela 5. Limites de Atterberg para as massas cerâmicas utilizando argilas de

Campos dos Goytacazes

Massas Cerâmicas Limite de

plasticidade Limite de liquidez

Índice de

plasticidade

B1 29 65 35

B2 31 66 35

B3 30 71 41


21

Monteiro, Sanchez e Vieira (2004) realizaram ainda as análises

termogravimétrica (Figura 10) e termodiferencial (Figura 11), e constataram a

presença gibbsita e do argilomineral caulinita nas três massas cerâmicas. Aliado a

isto, não foram observados picos relativos à transformação alotrópica do quartzo,

indicando que nas argilas de Campos dos Goytacazes – RJ há pouca quantidade de

quartzo.

Figura 10. TG/DTG das massas cerâmicas utilizando argilas de Campos dos

Goytacazes.


Figura 11. ATD das massas cerâmicas utilizando argilas de Campos dos

Goytacazes.


22

Em relação às propriedades analisadas por Monteiro, Sanchez e Vieira

(2004), determinaram-se a curva de gresificação para as massas cerâmicas, cuja

análise considera-se a absorção de água e retração linear de queima em função da

temperatura de queima (Figura 12). Deste modo, confirmaram que o alto teor de

argilominerais, o baixo teor de óxidos fundentes e a presença de gibbsita

contribuíram para a dificuldade das massas em alcançar o valor de absorção de

água requerido pela norma brasileira (NBR 15310). Em relação à retração linear de

queima, verificou-se que a massa B2 não atendeu a máxima retração considerada

adequada, qual é de 2% (MÁS, 2002) para todas as temperaturas, a massa B1

atendeu a recomendação apenas acima de 900 ºC e a B3 acima de 975 ºC.

Figura 12. Diagrama de gresificação das massas cerâmicas utilizando argilas de

Campos dos Goytacazes.


Outro trabalho envolvendo a caracterização de massas cerâmicas do

município de Campos dos Goytacazes – RJ foi estudado por Xavier (2006). Neste

trabalho, os resultados da caracterização da massa cerâmica corroboram com o

padrão encontrado nas massas cerâmicas de Monteiro, Sanchez e Vieira (2004).

Em relação à distribuição granulométrica, Xavier (2006) classificou-a segundo

a ABNT 6502 (1995) como argila siltosa pouco arenosa, contendo 53% de fração

argila, 31% de fração silte, e 16% de fração areia. Ao comparar-se com o diagrama

23

de Winkler na Figura 9, verifica-se que esta distribuição granulométrica está

apropriada para fabricação de telhas, no entanto, está próxima ao limite superior da

fração argila. Como consequência, foi verificado que o LP para esta massa cerâmica

situou-se em 29%, enquanto o LL em 59%, conferindo um IP de 30%, valores estes

quando comparados pelos sugeridos por Heystek (1969) situam-se na região de

extrusão aceitável. Em relação à composição química, Xavier (2006) encontrou a

mesma tendência das massas argilosas de Campos dos Goytacazes - RJ, em que o

teor de SiO2 foi de 42,30%, de Al2O3 foi de 32,00%, de Fe2O3 foi de 06,87%, de CaO

foi de 00,20%, de MgO foi de 00,70%, de Na2O foi de 00,04%, de K2O foi de

00,94%, de TiO2 foi de 01,24% e de perda ao fogo foi de 15,40%. A caracterização

mineralógica realizda por Xavier (2006) por meio da difração de raios X e análises

térmicas indicou a presença de caulinita, ilita, gibbsita e goethita. Todos estes

resultados estão de acordo com os encontrados por Monteira, Sanchez e Vieira

(2004) e Vieira, Soares e Monteiro (2003), retratando deste modo que as argilas de

Campos dos Goyacazes – RJ tendem a seguir um mesmo padrão de teor e

composição mineralógica.

O baixo desempenho das propriedades avaliadas das massas cerâmicas

utilizando argilas de Campos dos Goytacazes deve-se aos seguintes fatores, o alto

teor de argilominerais provoca alta perda ao fogo, e consequente aumento de

porosidade, o baixo teor de óxidos fundentes não auxilia na redução de temperatura

para formação de fase líquida, prejudicando a sinterização, e a presença da gibbsita

também contribui para o aumento da perda ao fogo, bem como o aumento da

refratariedade da massa cerâmica, necessitando de mais energia para consolidar as

partículas (MONTEIRO; SANCHEZ; VIEIRA, 2004).

Ribeiro (2010) também realizou a caracterização de uma massa cerâmica

utilizada para fabricação de cerâmica vermelha no município de Campos dos

Goytacazes – RJ. Mineralogicamente, foram detectadas a presença de caulinita,

quartzo, montmorilonita, gibbsita, goetita e mica muscovita. A montmorilonita foi

detectada em picos de baixa intensidade, em que possivelmente participam em

proporções mínimas na massa cerâmica. A análise termogravimétrica confirmou a

presença destes minerais, por meio da perda de massa verificada no pico da DTG

em 498,3 ºC, responsável pela desidroxilação da caulinita e em 266,3 ºC obteve

outro pico endotérmico, devido à eliminação da água dos hidróxidos (goethita e

gibbsita).

24

Em outros trabalhos, Vieira (2001) e Vieira, Soares e Monteiro (2003)

caracterizaram argilas e massas cerâmicas provenientes de Campos dos

Goytacazes - RJ, e as compararam com outra argila, denominada taguá, e massas

cerâmicas, sendo elas de Santa Catarina, Piauí e Portugal, que já são reconhecidas

por suas características ótimas para fabricação de cerâmica vermelha, a fim de

identificar deficiências nas argilas campistas que prejudicam o desempenho dos

produtos cerâmicos.

Nota-se que a quantidade relativa do óxido de silício da argila taguá e das

massas cerâmicas de Santa Catarina, Portugal e Piauí (Tabela 6) é superior ao das

argilas de Campos dos Goytacazes – RJ (Tabela 1) e da massa cerâmica de

Campos (Tabela 4), contrariamente ao teor de óxido de alumínio, qual é inferior. Isto

indica que há maior teor de argilominerais nas argilas campistas, devido à relação

SiO2/Al2O3, fato este que pode ser confirmado analisando a perda ao fogo, que é

menor na argila Taguá e nas massas cerâmicas de Santa Catarina, Portugal e Piauí.

Nas argilas de Campos dos Goytacazes – RJ e da massa cerâmica de

Campos, os teores de óxidos fundentes, que são derivados dos metais alcalinos

(K2O e Na2O), apresentam valores bem inferiores à argila Taguá, dita como argila

fundente e reconhecida por suas características ótimas para fabricação de telhas, e

das massas cerâmicas de Santa Catarina, Portugal e Piauí. Estes óxidos fundentes

são encontrados como minerais acessórios nestas argilas, e são capazes de

melhorar o processamento. Um material dito fundente tem a capacidade de reduzir a

temperatura de formação de fase líquida (principal mecanismo de sinterização na

cerâmica vermelha), favorecendo a resistência mecânica da peça queimada. Isto se

deve à capacidade destes óxidos alcalinos em produzirem eutéticos com os óxidos

formadores de vidro (SiO2 e Al2O3) (RIELLA; FRANJNDLICH; DURAZZO, 2002).

Em se tratando da perda ao fogo, verifica-se que as argilas de Campos dos

Goytacazes – RJ (Tabela 1) possuem perda ao fogo mais elevada que da argila

taguá e das massas cerâmicas de Santa Catarina, Piauí e Portugal. Como dito

anteriormente, a elevada perda ao fogo das argilas de Campos dos Goytacazes –

RJ é consequência do maior teor de argilominerais e dos hidróxidos gibbsita e

goetita. Desta forma, quantidade elevada de argilominerais infere em alta

plasticidade e elevada perda ao fogo e retração de queima. Por consequência,

resulta em maior gasto energético para realizar a secagem, além do fato da maior

25

probabilidade de causar defeitos nas peças, como trincas de secagem e de queima

(MÁS, 2002).

Tabela 6. Composição química da argila Taguá (1) e das massas cerâmicas de

Campos(2), Santa Catarina(2), Piauí(2) e Portugal(2).

Composição Taguá Campos Santa

Catarina Piauí Portugal

SiO2 66,47 44,56 68,35 61,39 63,94

Al2O3 12,76 29,64 15,60 19,74 18,68

Fe2O3 04,57 09,21 05,96 06,93 06,05

TiO2 00,55 01,44 01,17 01,11 00,76

K2O 03,01 01,41 01,36 02,20 02,82

Na2O 03,24 00,51 00,23 00,23 00,32

CaO 00,35 00,24 00,14 00,14 00,09

MgO 02,31 01,10 00,71 00,71 01,56

Perda ao fogo 04,21 11,43 05,83 05,83 05,57

(1) Vieira (2001).

(2) Vieira, Soares e Monteiro (2003).

A Figura 13 contém os difratogramas de raios X das massas cerâmicas de

Campos, Santa Catarina, Piauí e Portugal, e a Figura 14 contém o difratograma de

raios X da argila taguá. Nota-se que, logicamente, na massa cerâmica de Campos

são observados os picos relativos aos mesmos minerais encontrados nas próprias

argilas da região, identificados na Figura 2. Na massa de Santa Catarina, nota-se a

composição mineralógica simples, composta apenas por caulinita e quartzo,

enquanto que nas massas de Portugal e Piauí foram observados além de caulinita e

quartzo, a presença de picos de difração característicos de mica/ilita. Na argila taguá

foram encontrados picos mais intensos relativos aos argilominerais ilita e caulinita, e

ao mineral quartzo, enquanto que os outros minerais, dolomita, calcita e hematita

encontram-se com picos menos intensos.

Portanto, verifica-se que a diferença da massa cerâmica de Campos para as

outras, em termos de composição mineralógica, é a presença da gibbsita. Este

mineral atua aumentando a refratariedade e perda ao fogo da massa cerâmica,

devido à sua desidroxilação em 260 ºC, ele transforma-se em alumina. A alumina,

26

por sua vez, é considerada refratária e inerte na temperatura de queima para

cerâmica vermelha. Isto, em conjunto com outros fatores, justifica o pior

desempenho apresentado nas massas cerâmicas de Campos, conforme será visto a

seguir.

Figura 13. Difratograma de raios X das massas cerâmicas de Campos, Portugal,

Santa Catarina e Piauí.

Fonte: VIEIRA; SOARES e MONTEIRO (2003).

Figura 14. Difratograma de raios X da argila taguá.

Fonte: VIEIRA (2001).

27

Na Figura 15 está representada as curvas TG, enquanto que a Figura 16 está

representada as curvas ATD das massas cerâmicas de Campos, Portugal, Santa

Catarina e Piauí. Verifica-se, por meio destas figuras, a conformidade com os

resultados da composição química e mineralógica. Portanto, constata-se que, as

diferenças mais pronunciadas nas massas cerâmicas de Campos dos Goytacazes -

RJ em comparação com as outras massas cerâmicas que já são reconhecidas por

sua utilização em produtos de qualidade técnica superior, é a presença dos

hidróxidos gibbsita e goetita, e ao maior teor do argilomineral caulinita e menor teor

do mineral quartzo nas massas cerâmicas de Campos dos Goytacazes – RJ. A

desodrixilação da caulinita em temperaturas entre 425 ºC e 550 ºC acarreta em

perda de massa, qual pode ser verificada por meio da TG e por meio da ATD,

enquanto que o quartzo sofre a transformação alotrópica em 573 ºC, caracterizando

um pico endotérmico, qual não foi constatado nas argilas de campos.

Figura 15. Curvas TG das massas cerâmicas de Campos, Piauí, Santa Catarina e

Portugal.

Fonte: Vieira; Soares; Monteiro (2003).

28

Figura 16. Curvas ATD das massas cerâmicas de Campos, Piauí, Santa Catarina e

Portugal.


Vieira, Soares e Monteiro (2003) determinaram a distribuição granulométrica

das massas cerâmicas de Campos, Piauí, Santa Catarina e Portugal e as

posicionaram no diagrama de Winkler (Figura 17). Nota-se que a massa cerâmica de

Campos possui fração argilomineral >50%, valor este superior aos encontrados para

as massas de Piauí, Santa Catarina e Portugal. Este resultado está de acordo com

as análises discutidas anteriormente, onde demonstram que as argilas de Campos

dos Goytacazes – RJ possuem alto teor de argilominerais. Uma das características

das argilas com alto teor de argilominerais é seu elevado limite de plasticidade (LP).

Assim, a massa de Campos possui LP (Tabela 7) maior que as outras massas.

Apesar da vantagem da ocorrência de menor desgaste dos equipamentos por parte

das argilas mais plásticas durante a conformação, há outras desvantagens

concorrentes. Cita-se a maior facilidade de secagem, demandando menos tempo;

maior gasto energético para realizar a queima, devido ao maior teor de

argilominerais, há o maior consumo de energia durante a desidroxilação; e por fim, a

menor probabilidade da ocorrência de defeitos como trincas de secagem, como

consequência do menor conteúdo de água nas massas conformadas, e também de

queima, devido à elevada perda ao fogo provocada pela presença dos

argilominerais.

29

Figura 17. Distribuição de tamanho de partículas das massas cerâmicas no

diagrama de Winkler. Ca: Campos, PT: Portugal, PI (Piauí) e SC (Santa Catarina).


Tabela 7. Limites de Atterberg para as massas cerâmicas de Campos, Santa

Catarina, Piauí e Portugal.

Massas Cerâmicas

Plasticidade Campos Santa Catarina Piauí Portugal

LP 29 25 23 20

LL 64 51 49 39

IP 25 26 26 19


Vieira, Soares e Monteiro (2003) ao avaliarem as propriedades pós-queima

das massas cerâmicas de Campos, Santa Catarina, Piauí e Portugal, foram capazes

de identificar deficiências na massa de Campos quando verificaram seu baixo

desempenho de algumas propriedades e compararam a composição mineralógica

entre as massas. Para tanto, observa-se que a massa cerâmica de Campos obteve

o maior valor para absorção de água (Figura 18) dentre todas as massas, assim

como a retração linear de queima (Figura 19). Deste modo, concluíram que a massa

de Campos possui composição mineralógica com excessivo percentual de

30

argilominerais e gibbsita. Isto por sua vez, influencia na composição química,

caracterizando o baixo teor de SiO2 e alto teor de Al2O3 da massa de Campos.

Observa-se, no entanto, que a massa cerâmica de Campos possui os

melhores valores de resistência mecânica medida por meio da tensão de ruptura à

flexão (Figura 20) em comparação às outras massas. Vieira, Soares e Monteiro

(2003) explicam, que possivelmente isso deve-se ao menor teor de quartzo nesta

massa. Sabe-se que o quartzo sofre transformação alotrópica em 573 ºC, podendo

causar microtrincas e como consequência a redução da resistência mecânica.

Figura 18. Absorção de água para as massas cerâmicas de Campos, Santa


Fonte: Vieira; Soares; Monteiro, (2003).

Figura 19. Retração linear de queima para as massas cerâmicas de Campos, Santa



31

Figura 20. Tensão de ruptura à flexão para as massas cerâmicas de Campos, Santa



As características das argilas e massas cerâmicas de Campos dos

Goytacazes – RJ discutidas anteriormente são responsáveis pela dificuldade

encontrada em produzir telhas dentro das especificações técnicas exigidas pela

NBR 15310 (2009), qual define o teor máximo de 20% para o parâmetro absorção

de água. Portanto, verifica-se a necessidade de reformular massas cerâmicas para

produção de telhas utilizando as argilas da região de Campos dos Goytacazes – RJ.

Peçanha Junior (2006) realizou o estudo de reformulação de massas

cerâmicas para produção de telhas, utilizando argilas de Campos dos Goytacazes –

RJ, e obteve resultados satisfatórios. No entanto, foi utilizado nas massas

reformuladas a argila taguá. Esta argila é proveniente de uma empresa localizada no

interior do estado de São Paulo. Sendo, portanto, uma argila de maior custo, devido

ao valor pago pelo frete, para utilizar nas cerâmicas em Campos dos Goytacazes –

RJ.

Verificando esta incompatibilidade de custos, neste trabalho buscou-se

identificar e caracterizar argilas próximas a Campos dos Goytacazes – RJ para que

eventualmente pudessem ser incorporadas nas massas cerâmicas para produção de

telhas.

32

4.3. Processamento de cerâmica vermelha

O desempenho dos produtos cerâmicos está relacionado com as

características e o processamento dos materiais empregados. Portanto, é

imprescindível ter o conhecimento destes aspectos como forma de avaliar suas

influências nas propriedades destes materiais.

O processamento da cerâmica vermelha, de modo genérico, é composto por

quatro etapas. Cada uma delas exerce papel intrínseco na qualidade do produto

final, são elas: preparação da massa, conformação da peça, secagem e queima.

4.3.1. Preparação da massa

Massa cerâmica é a denominação da mistura de um conjunto de matérias-

primas, de proporções conhecidas, que é utilizada para fabricação de produtos

cerâmicos. Estes produtos devem ter suas propriedades adequadas ao uso que lhe

for estabelecido, por isto, deve-se ter coerência em todas as etapas da produção

para que estas propriedades sejam alcançadas. Vieira (2001) cita que uma única

argila pode conter as características necessárias para compor uma massa cerâmica

para fabricar determinado produto. Isto é possível, pois sua composição

mineralógica é condizente com este produto e seu processo de fabricação, no

entanto, isto não é encontrado na maioria das argilas.

Benefícios no processamento são gerados na presença da massa argilosa

bem preparada, citam-se: minimização da variabilidade das propriedades das peças

finais, menor consumo de energia e desgaste por parte dos equipamentos, e

redução das perdas nas etapas de conformação, secagem e queima. Dá-se início a

esta etapa, visando almejar propriedades adequadas do produto final, como

resistência mecânica, absorção de água, resistência a gelo/degelo e tolerância

dimensional.

A irregularidade da composição química na matéria-prima é um dos

problemas mais pronunciados nas indústrias de cerâmica vermelha. Assim, a

homogeneização das matérias-primas, atua de forma a minimizar a variabilidade

natural, com a formação de pilhas de descanso. Deste modo, diferenças

significativas nas composições químicas das argilas após a extração serão

reduzidas, devido ao fato de que estas diferenças serão distribuídas ao longo de

33

toda a pilha. Este método de construção de pilhas de descanso é o mais

apropriado, em que as argilas extraídas são depositadas em forma de camadas

paralelas e uniformes. Essas camadas não devem ser muito espessas, com intuito

de minimizar as variações das características da argila (GAIDZINSKI, 2006).

Além do mais, esta etapa objetiva o sazonamento da argila. A ação do

intemperismo favorece a homogeneização da umidade das massas argilosas, bem

como a decomposição de determinados compostos. Assim, ocorre o alivio das

tensões e melhoria da trabalhabilidade, fruto da distribuição homogênea da

plasticidade por toda a pilha de estocagem (CABRAL, 2005).

As argilas exibem comportamento plástico quando adicionada quantidade

limitada de água, isto contribui para que este material seja conformado de várias

formas possíveis. Além do teor de água, a plasticidade depende de outros fatores,

que em conjunto serão responsáveis por determinar a intensidade do

comportamento plástico de dado material. Esses fatores estão relacionados com a

composição mineralógica, que por sua vez, influencia na granulometria e na

formação dos cristais (JANNEY, 1982; MANUEL; FERREIRA; LABRINCHA, 2003).

A condição ideal desta propriedade é adquirida com a mistura de diferentes

tipos de argilas, até que se atinja a proporção ideal. Esta mistura é realizada

empiricamente na maioria dos processos produtivos encontrados nas fábricas de

cerâmica vermelha do Brasil. Desta forma, a preparação da massa é conduzida com

a mistura de argila “gorda”, a qual apresenta elevado índice de plasticidade,

composta principalmente por argilominerais, de granulometria essencialmente fina

(<2 µm), com a argila “magra”, esta, responsável por reduzir a plasticidade da

massa, rica em quartzo (MOTTA; ZANADO; JUNIOR, 2001; PRACIDELLI;

MELCHIADES, 1997).

4.3.1.1. Reformulação de massa cerâmica utilizando diagrama de Winkler

O diagrama de Winkler, conforme Pracidelli e Melchiades (1997), é a

ferramenta que auxilia na formulação da massa cerâmica. Este diagrama baseia-se

na distribuição granulométrica das partículas, onde parte-se do princípio que

partículas que apresentam tamanhos inferiores a 2 µm agem como matérias-primas

plastificantes, por serem constituídas essencialmente por argilominerais, e as

demais partículas agem como matérias-primas desplastificantes. Desta forma, a

34

massa cerâmica não deve ser constituída exclusivamente de argilas plásticas, do

contrário, acarretará dificuldades ou até mesmo impossibilitará o seu

processamento. Vieira, Monteiro e Duailibi (2005) citam que isto se deve ao fato de

que o aumento na plasticidade da massa induz no emprego de mais água para

conformação. Desta maneira, será necessário fornecer mais energia na etapa de

queima para eliminar a água de constituição dos argilominerais, e na secagem

demandará mais tempo quando bem conduzida, ou acarretará em defeitos, como

trincas de secagem. Por isso, há a necessidade de controlar o teor de partículas

finas, médias e grosseiras.

No diagrama de Winkler (Figura 21) é prevista a composição granulométrica

da mistura, e a Tabela 8 discrimina os tipos de produtos de acordo com esta

composição, conforme preconizado por Pracidelli e Melchiades (1997).

Figura 21. Diagrama granulométrico de Winkler.

35

Tabela 8. Composição granulométrica dos produtos de cerâmica vermelha

Tipo de produto Composição granulométrica (%)

2 µm 2 a 20 µm 20 µm

A. Materiais de qualidade com

dificuldade de produção 40 a 50 20 a 40 20 a 30

B. Telhas, capas 30 a 40 20 a 50 20 a 40

C. Tijolos furados 20 a 30 20 a 55 20 a 50

D. Tijolos maciços 15 a 20 20 a 55 20 a 55

Dessa forma, é possível perceber que para cada tipo de produto é necessário

obter composição granulométrica diferente. Os produtos com dificuldade de

conformação, por exemplo, exigem elevada plasticidade, pois requerem a massa

mais plástica para dar forma às curvas. Por isso, há a necessidade da massa ser

composta com maior teor de partículas inferiores a 2 µm, com intuito de melhorar

sua plasticidade.

Monteiro e Vieira (1999) caracterizaram as argilas da baixada campista – RJ,

e verificaram que em algumas áreas a presença excessiva de partículas de tamanho

inferior a 2 µm predominaram, com aproximadamente 70% do peso. Comparando

com o diagrama de Winkler, este percentual está elevado para produção de

cerâmica vermelha, confirmando deste modo a necessidade da mistura de argilas.

Monteiro e Vieira (2004) investigaram dois tipos de argilas de Campos dos

Goytacazes – RJ e as posicionaram no diagrama de Winkler a fim de verificar a

disponibilidade para fabricação de produtos de cerâmica vermelha. Deste modo,

perceberam que nenhuma das argilas eram apropriadas, pois se situavam em

pontos fora das regiões delimitadas no diagrama. Concluindo deste modo, que

somente com adição de materiais desplastificantes, também chamados de

grosseiros, era possível fabricar produtos de cerâmica vermelha.

Monteiro, Peçanha e Vieira (2004) com intuito de melhorar as propriedades

tecnológicas dos produtos, reformularam, utilizando diagrama de Winkler, uma

massa cerâmica utilizada para fabricação de telhas, adicionando resíduo de granito.

A massa foi reformulada de forma tal que, as matérias-primas separadas não se

localizaram na faixa adequada para produção de telhas, então foi feito a dosagem

das matérias-primas para que esta nova massa estivesse na região apropriada para

fabricação de telhas. Os resultados mostraram que a massa reformulada obteve

36

melhora na plasticidade, retração linear, absorção de água e resistência mecânica.

Demonstrando assim a eficiência da utilização do diagrama de Winkler para

reformulação de massas cerâmicas.

4.3.1.2. Reformulação de massa cerâmica utilizando programação linear

Programação linear é um modelo matemático utilizado para resolução de

problemas que consistem em maximizar ou minimizar uma função linear de várias

variáveis. Esta função é também chamada de função objetivo, e sua solução é

delimitada a um conjunto de restrições, também lineares (CLÍMACO; ANTUNES;

ALVES, 2003; GOLDBARG; LUNA, 2005).

Entende-se por modelos, representações simplificadas da realidade que

preservam, para determinadas situações e enfoques, uma equivalência adequada.

Segundo Goldbarg e Pacca (2005), para que os modelos sejam capazes de

representar sistemas reais, eles devem possuir as seguintes características:

- Proporcionalidade: a quantidade de recursos consumidos por uma dada

atividade deve ser proporcional ao nível dessa atividade na solução final do

problema. Além disso, o custo de cada atividade é proporcional ao nível de operação

da atividade. Considerando, por exemplo, o problema de programação linear da

formulação de massas cerâmicas, a massa padrão tem a porcentagem de

componentes químicos constante. No caso das restrições, a porcentagem dos

componentes químicos presentes na nova formulação é proporcional à quantidade

de cada matéria-prima consumida. Ou seja, não se consideram efeitos de saturação;

- Não negatividade: qualquer proporção não negativa de um dado recurso

deve sempre poder ser realizado;

- Aditividade: o consumo total de recursos é a soma das parcelas associadas

a cada atividade;

- Separabilidade: pode-se identificar de forma separada o consumo específico

dos recursos das operações de cada atividade.

De acordo com Lins e Calôba (2006), de forma genérica, um problema de

programação linear formula-se do seguinte modo:

Máx (mín) ᵶ = ∑ 𝑐𝑗𝑥𝑗𝑛𝑗 =1 (1)

37

Sujeito a ∑ aijxj

nj =1 {

≥≤=

𝑏𝑖, i=1,...,m

(2)

Sujeito a 𝑥𝑗 ≥ 0, 𝑗 = 1, … , 𝑛 (3)

Onde n é o número de variáveis de decisão e m o número de restrições

funcionais.

Deste modo, sabe-se que alguma solução ótima será encontrada em um

ponto do conjunto das soluções viáveis. Entretanto, o conjunto das soluções viáveis

pode ser muito grande, em número exponencial, em relação às variáveis. Portanto, o

algorítimo simplex auxiliará na resolução destes problemas. Este algorítimo utiliza

ferramentas baseadas na álgebra linear para determinar, por um método iterativo, a

solução ótima de um problema de programação linear (GOLDBARG; PACCO, 2005).

Ferreira et al. (2001) utilizaram a programação linear para formular massas

cerâmicas, a fim de avaliar a viabilidade do uso de resíduos da serragem de granitos

na composição de massas para confecção de revestimentos cerâmicos. A análise

dos resultados indicou a possibilidade do uso deste resíduo.

A validade da reformulação de massas cerâmicas para produção de

porcelanato esmaltado baseadas exclusivamente na composição química foi

estudada por Xavier et al. (2008), concluindo que houve variações significativas nas

propriedades avaliadas, explicadas possivelmente pela disparidade na composição

mineralógica, apesar da similaridade na composição química. Indicando, neste caso,

que a formulação através da programação linear não foi efetiva, porém pode ser um

bom ponto de partida, pois algumas formulações apresentaram melhor desempenho

que a massa industrial.

Bittencourt, Barbosa Júnior e Silvestre (2001) formularam massas cerâmicas

para fabricação de revestimentos porosos, com uso da programação linear para

determinação de composições pré-determinadas através do diagrama triaxial. Neste

diagrama, os vértices eram representados pelo óxido de silício, óxido de alumínio e

pela soma dos alcalinos e alcalinos terrosos. Deste modo, as matérias-primas foram

posicionadas nesse diagrama, de acordo com sua composição química, formando

uma área. Então, selecionaram-se vários pontos dentro dessa área delimitada, e por

meio da programação linear foram determinadas as proporções de cada matéria-

prima para cada ponto. Assim, identificaram a melhor composição, onde todas as

38

propriedades apresentaram-se dentro dos parâmetros pré-estabelecidos para

caracterização de um suporte para processo monoporoso.

Portanto, avaliando tais trabalhos, é possível destacar a validade deste

método, e a praticidade com o qual pode ser empregado. Como pôde ser percebido,

seu emprego na formulação de massas cerâmicas atua de modo a formular uma

massa que possa reproduzir a composição química de uma massa industrial já pré-

estabelecida no mercado, a qual é utilizada para fabricar produtos de reconhecida

qualidade técnica.

4.3.2. Conformação das peças

Esta etapa é responsável por moldar a peça, proporcionando-a diversas

formas possíveis. A conformação da massa argilosa visando produção industrial é

dividida em quatro distintas tecnologias de processamento, baseadas na

consistência da mistura, são elas, métodos de extrusão, de prensagem a seco, de

moldagem plástica e de colagem (NORTON, 1973).

Na produção de telhas, dois processos merecem destaque e serão

apresentados a seguir: conformação por extrusão e prensagem, e conformação por

prensagem a semi-seco.

4.3.2.1. Extrusão e prensagem

A técnica mais utilizada para conformação dos produtos de cerâmica

vermelha é a extrusão. A escolha dessa técnica se deve, principalmente, à sua

elevada produtividade quando comparado com as demais técnicas disponíveis.

Neste método, a massa cerâmica deve apresentar plasticidade tal que, após ser

forçada através do molde, apresente resistência suficiente para permanecer nesta

forma até a etapa seguinte. Esta mistura forma uma coluna contínua, que é

seccionada nos comprimentos pré-determinados conforme o produto desejado. Na

fabricação de telhas, usualmente passa-se a massa cerâmica pela extrusora para a

formação de bastões que em seguida são prensados em moldes com formatos

apropriados.

Visto que o fluxo da massa argilosa através da extrusora depende do índice

de plasticidade, observa-se a importância da homogeneização das características da

39

massa, como composição química, tamanho dos grãos e teor de umidade, com

intuito de evitar variação das propriedades para uma mesma peça. A sensibilidade

das argilas a variações no teor de água se difere em função da sua propriedade

plástica. Pequenas variações na umidade acarretarão mudanças drásticas na

plasticidade de argilas mais plásticas, enquanto as argilas menos plásticas serão

menos influenciadas. Este fato é determinante na etapa de conformação. Na Figura

22 observa-se a comparação de duas argilas, mais plástica e menos plástica,

exemplificando o quanto esta variação na umidade induz na pressão exercida pela

extrusora, bem como a potência necessária para gerar esta pressão. Inferindo,

dessa forma, a importância da plasticidade no gasto energético da extrusão

(FACINCANI, 1993; RIBEIRO; FERREIRA; LABRINCHA, 2003).

Figura 22. Variação da pressão de extrusão e da potência exercida pelo motor

em função do teor de umidade, para uma massa mais plástica e para outra menos

plástica.

Fonte: Ribeiro, Ferreira e Labrincha (2003).

40

As argilas para produção de cerâmica vermelha, em especial as menos

plásticas, contêm significativas quantidades de materiais inertes, como grãos de

sílica e de calcário. A estes materiais, estão associados defeitos que podem surgir

durante a extrusão, que são as irregularidades nas superfícies das peças. Por isso,

existe a necessidade de realizar a moagem da massa cerâmica, reduzindo o

tamanho dos grãos e evitando estes defeitos. Em geral, essa moagem é realizada

por dois moinhos. O primeiro com maior abertura, com objetivo de facilitar a entrada

da massa para o segundo, este com menor abertura limitando o tamanho dos grãos

inertes. Além da redução dos defeitos, este processo contribui para o aumento da

plasticidade das argilas, devido à redução do tamanho das partículas, ocorre o

aumento a área específica (RIBEIRO; FERREIRA; LABRINCHA, 2003).

Outros defeitos comuns originados nesta etapa são as deformações e trincas.

Esses defeitos são ocasionados pela diferença de velocidade de extrusão na massa

argilosa. As regiões com maior velocidade tracionam as partículas que estão nas

regiões de menor velocidade, gerando regiões tensionadas. Este defeito, a princípio

não aparente nas peças verdes, originará trincas quando estas peças forem secas.

Dessa forma, deve ser feito controle nas peças extrudadas a fim de detectar

variações na velocidade de saída do molde (RIBEIRO; FERREIRA; LABRINCHA,

2003).

4.3.2.2. Prensagem semi-seco

Neste método de conformação, a massa cerâmica umedecida com teor de

umidade entre 5 – 7% é submetida à prensagem mecânica para dar forma a peça,

com pressão uniforme variando entre 250 e 500 kgf/cm2. De acordo com Albaro

(2000), esta operação objetiva a redução do volume e quantidade de poros, e é

regida por três mecanismos (Figura 23):

Mecanismo I: Deslocamento e reordenação dos grãos com respectiva

redução do volume ocupado pelos poros intergranulares.

Mecanismo II: Redução dos espaços intergranulares por deformação plástica.

Mecanismo III: Deslizamento e reorganização das partículas objetivando

melhor acomodação e densificação.

41

Figura 23. Exemplificação em etapas da variação do grau de compactação do

corpo de prova em função da pressão de prensagem.

A etapa I compreende a faixa de compactação desde o início da aplicação da

pressão até momento antes do início de deformação dos grãos. Observa-se a maior

resposta da compactação em função da aplicação da pressão, identificada pelo

coeficiente da reta, no entanto, neste estágio se incrementa ligeiramente a

densidade do corpo em relação ao valor inicial.

A etapa intermediária inicia-se a partir do início da deformação dos grãos e

estende-se até o momento em que a densidade do corpo torna-se próxima à

densidade do grão, o qual deve-se à redução dos poros intergranulares. A maior

parte da compactação do corpo acontece nesta etapa, ainda que a porosidade

intragranular permaneça inalterada.

O ultimo estágio ocorre quando o corpo adquire a mesma densidade do grão.

Deste modo, teoricamente já não há porosidade intergranular, como consequência,

a compactação só deve ocorrer com a redução da porosidade intragranular, por

meio do deslizamento e reorganização das partículas.

O processo de prensagem pode ser realizado por diversos métodos. Na

indústria de cerâmica vermelha, utiliza-se a prensagem uniaxial de ação simples,

para conformação de peças de geometrias simples, espessura reduzida e alta

conformidade dimensional, e ação dupla, para casos que a espessura da peça é

maior. O atrito provocado pelas partículas na matriz conduz ao gradiente de

compactação no interior do corpo cerâmico, em que para a prensagem uniaxial de

ação simples, há a concentração de compactação unilateral próxima ao pistão, e na

42

prensagem uniaxial de ação dupla, a concentração de compactação ocorre no

interior do corpo. Esse gradiente deve ser controlado, caso contrário há o

favorecimento de trincas e empenos nas peças conformadas, podendo aparecer

apenas após o tratamento térmico (PEÇANHA JUNIOR, 2006).

Custódio et al. (2012) compararam os métodos de conformação por

prensagem a seco e por extrusão e verificaram que a extrusão confere maior

resistência mecânica à peça, maior coesividade, menor absorção, e devido ao maior

empacotamento, há maior retração pelo favorecimento do processo de sinterização.

Portanto, em comparação ao método da conformação por prensagem a seco, a

extrusão mostra-se como um processo mais eficiente em relação à densificação do

corpo cerâmico, propriedade esta, considerada determinante no processamento,

pois está relacionada com as demais propriedades.

4.3.3. Secagem

Durante a preparação da massa argilosa para fabricação de cerâmica

vermelha, adiciona-se água com porcentagens variando entre 20 e 30% para

melhorar sua trabalhabilidade, dependendo do índice de plasticidade da massa.

Deste modo, torna-se conveniente a retirada desta água para até 5% após a

conformação da peça, etapa esta designada de secagem. Além de aumentar a

resistência mecânica, este procedimento é essencial antes de iniciar o tratamento

térmico industrial (queima), evitando defeitos. Alguns autores relatam ser esta uma

das fases mais problemáticas do processo produtivo (VIEIRA et al., 2003; CABRAL,

2005).

O tempo de secagem deve ser otimizado, tal que, demasiadamente rápida

ocorrerá defeitos como trincas ou empenamento, e demasiadamente lenta será

impraticável economicamente. Esta otimização é realizada com conhecimento da

distribuição da água no interior do produto, e também dos movimentos físicos que

regem a secagem (VAN VLACK, 1973).

A água presente na argila pode ser encontrada em algumas formas. São elas:

água interpartículas ou intercamadas, água dos poros, água adsorvida e água do

reticulado (VAN VLACK, 1973). A Figura 24 contém a forma como estes tipos de

água estão dispostos no material.

43

Figura 24. Localização da água nas cerâmicas conformadas plasticamente.

Fonte: Van Vlack (1973).

As peças conformadas por extrusão apresentam quantidade considerável de

água interpartículas [Figura 24 (a)], esse tipo de água encontra-se relativamente livre

entre as partículas e é a primeira a ser removida no processo de secagem. Ela

promove a plasticidade, uma vez que permite o deslizamento das partículas sobre

essa fina camada de água, cuja espessura mede por volta de 500 Å. À medida que

esta água é removida, ocorre a aproximação das partículas, como mostrado na

Figura 24 (b), e é neste momento em que ocorrem as variações dimensionais na

peça (NORTON, 1973; VAN VLACK, 1973).

A água dos poros, como mostrado na Figura 24 (b), é a água que permanece

nos interstícios entre as camadas de partículas após a aproximação entre elas. A

eliminação dela, quase não provoca variação dimensional na peça, pois a

aproximação das camadas de partículas já atingiu seu limite (NORTON, 1973; VAN

VLACK, 1973).

A água do reticulado é encontrada formando parte da rede cristalina em forma

de hidroxilas, enquanto a água adsorvida é aquela que permanece fixa à superfície

do material devido às forças físicas de Van der Waals, que são consequências das

interações entre os dipolos da estrutura do material e da água. Apesar deste tipo de

água apresentar espessura de poucas moléculas, ela se torna importante quando

analisamos partículas de dimensões extremamente pequenas, em que por certo, a

adsorção será mais efetiva. Uma partícula que apresenta dimensões coloidais tem

sua relação superfície-volume tão elevada, que as propriedades da superfície

44

influenciam profundamente no material como um todo (NORTON, 1973; VAN

VLACK, 1973).

O processo de secagem inicia-se na evaporação da água da superfície pela

atmosfera, deste modo, cria-se gradiente de umidade na peça conformada, em que

a superfície terá menor concentração de líquido que no interior. Sabe-se que o

movimento da água dá-se das regiões de maior concentração para as regiões de

menor concentração, assim, a água flui do interior da peça para a superfície através

dos poros interconectados. Esta velocidade em que o volume de água flui, é dada

pela Equação 8:

𝑑𝑉

𝑑𝑡=

𝐴𝐾(𝐶𝑑 − 𝐶𝑤)

𝑛𝐿 (4)

Em que, K é o coeficiente de permeabilidade, A é uma constante, n é a

viscosidade, 𝐶𝑑 e 𝐶𝑤 estão relacionados com as concentrações do líquido e L é a

espessura do produto dividido por dois.

Diante disso, verifica-se que, para aumentar a velocidade do fluxo de água,

têm-se três alternativas: aumentar o gradiente de umidade, aumentar a

permeabilidade e diminuir a viscosidade da água. Todavia, o aumento do gradiente

de umidade só é possível até certo ponto, pois a partir deste ponto ocorre o aumento

substancial da relação entre as tensões provocadas pela retração na peça,

provocando ruptura e trincas. Aumentar a permeabilidade só é possível também até

certo limite, pois ao ultrapassá-lo, a peça apresenta deficiência na resistência

mecânica. Por fim, a viscosidade da água pode ser aumentada trabalhando em

temperaturas mais elevadas, no entanto deve haver coerência com o gasto

energético, para evitar prejuízos econômicos (NORTON, 1973; VAN VLACK, 1973).

O principal defeito ocasionado durante a etapa da secagem é o trincamento

das peças. Ele ocorre, como mencionado anteriormente, quando há variação de

tensões (tração) pela extensão da peça, e as forças intermoleculares não a

suportam e acabam se rompendo. A velocidade com que a água da superfície

evapora depende da temperatura, da velocidade e do teor de água do ar

atmosférico. Portanto, pode-se minimizar este defeito reduzindo a taxa de secagem,

ou seja, reduz-se a velocidade com que ocorre a evaporação da água da superfície.

Isto proporciona pouca variação no gradiente de umidade, onde tenta-se manter a

45

relação constante entre a água evaporada e a água que flui do interior da peça para

a superfície. Entretanto, deste modo, torna-se economicamente inviável, pois o

tempo torna-se extensivamente longo. Outra solução é trabalhar-se com

temperaturas mais elevadas em uma atmosfera saturada de água, a fim de reduzir a

viscosidade do líquido sem que inicialmente ocorra a secagem. Deste modo, a peça

está pronta para se iniciar a secagem com reduzido risco de defeitos. De modo

complementar, há a possibilidade de adicionar materiais não plásticos à massa

argilosa. Estes materiais, de tamanhos maiores, reduzem a quantidade de água

intercamadas traduzindo em menores retrações de secagem. A quantidade de

material que pode ser inserido na massa é limitada pela trabalhabilidade da massa

durante a conformação, e pela resistência mecânica pós-queima (NORTON, 1973;

VAN VLACK, 1973).

Vieira et al. (2003) demonstraram em seu trabalho, através da curva de Bigot

(Figura 25), a influência da inserção de materiais não plásticos na retração

dimensional das peças durante secagem. A curva de Bigot relaciona no gráfico a

variação da retração dimensional em função da variação no teor de água durante a

secagem. Ao analisar os gráficos, é visto que a massa industrial sem incorporação

de areia apresenta 23,9% de umidade e a retração de 3,62%, ao fato de que a

massa industrial com incorporação de 15% de areia reduz para 17,2% de umidade e

2,62% de retração

(a) (b)

Figura 25. Curva de Bigot da composição: (a) massa industrial sem

incorporação adicional de areia e (b) massa industrial com 15% de areia.

Fonte: Vieira et al. (2003).

46

4.3.4. Queima

De acordo com Padoa (1990), a queima é responsável por aumentar a

resistência mecânica, reduzir a porosidade e dar a cor desejada aos produtos

previamente conformados. Van Vlack (1973) complementa relatando que a

finalidade da queima é aglomerar as partículas formando uma massa coerente pela

sinterização.

Vieira et al. (2004) relatam que processo de queima é responsável por grande

parte das perdas no processo produtivo (0,5 – 1%), podendo chegar a 10%. Logo,

de certo modo, é indispensável o conhecimento dos fenômenos que sucedem

durante o processo de queima e das características dos fornos, para poder conduzir

racionalmente este processo.

Após a secagem, os produtos cerâmicos são submetidos ao processo de

cocção em fornos, com temperaturas que variam entre 750 ºC (tijolos) até 1200 ºC

(tubos cerâmicos), à medida que a temperatura aumenta, os materiais constituintes

da peça experimentam alguns fenômenos, em que para as argilas de Campos dos

Goytacazes, segundo Toledo (2003), os fenômenos relacionados às transformações

estruturais são os seguintes:

até 400 ºC – a caulinita é o constituinte mineralógico predominante, e desta

forma, nesta temperatura de queima o corpo cerâmico possui suaves reduções de

absorção de água e perda de massa, e aumentos discretos na tensão de ruptura à

flexão e retração linear;

entre 400 ºC e 600 ºC – houve significativa perda de massa nesta faixa de

temperatura, devido ao processo de desidroxilação da caulinita e consequente

desestruturação cristalina, isto acarretou em aumentos discretos de absorção de

água e retração linear, já a tensão de ruptura à flexão mostrou comportamento

oscilatório;

entre 600 ºC e 800 ºC – o comportamento de queima nesta faixa de

temperatura mostrado pelos corpos cerâmicos resultou em aumento discreto de

absorção de água e retração linear, enquanto a tensão de ruptura à flexão

demonstrou o mesmo comportamento oscilatório mas com tendência de aumento.

Isto se deve, provavelmente, em decorrência do início da sinterização do corpo

cerâmico, pela fusão de pequenas impurezas solúveis, acarretando a produção de

47

mistura de partículas cristalinas em uma matriz vítrea, com consequente aumento da

retração linear e resistência mecânica;

entre 800 ºC e 950 ºC – esta faixa de temperatura é responsável pela

desestruturação da estrutura micácea e também da nucleação de uma fase

intermediária entre a metacaulinita e a mulita, uma estrutura do tipo espinélio (Al –

Si), que culminou no decréscimo de absorção de água, e do aumento da tensão de

ruptura à flexão e da retração linear.

Entre 950 ºC e 1000 ºC – houve a formação de espinélio, de origem da

metacaulinita, ilita e micas, e nucleação da mulita com a máxima fração amorfa da

massa cerâmica tendo ocorrido aproximadamente a 1000 ºC, evidenciando uma fase

transitória para a fase vítrea. Foram observadas reduções de absorção de água, e

aumento da retração linear e tensão de ruptura à flexão.

Entre 1000 ºC e 1100 ºC – nesta faixa de temperatura houve aumento da

cristalinidade do corpo cerâmico, com a formação de mulita e cristobalita, resultates

de outros efeitos da formação de fase vítrea e e da sinterização. Observou-se

intensa redução da absorção de água, com aumento substancial da resistência

mecânica e retração linear, sem praticamente alterar a perda de massa, retratando o

aumento da densificação do corpo cerâmico.

Entre 1100 ºC e 1200 ºC – foram identificadas novas fases cristalinas

formadas pelo tratamento térmico, são elas a mulita, cristobalita e hematita. Com

estas transformações foram observados os mesmos comportamentos das

propriedades analisadas na faixa de temperatura anterior.

De acordo com Padoa (1990), em geral os corpos cerâmicos para cerâmica

vermelha experimentam as seguintes eventos durante o tratamento térmico:

Em temperaturas próximas de 100 ºC ocorre eliminação da água residual.

Esta água está presente em peças que não foram sujeitas à secagem, ou quando

esta não foi bem conduzida. Ou ainda, se as peças reabsorveram umidade no

espaço de tempo em que as peças foram transportadas do secador para os fornos;

Aproximadamente próximo a 200 ºC ocorre eliminação da água intercamada

que permaneceu aprisionada após a secagem. Neste momento ocorrem as mesmas

contrações conforme elucidado na etapa anterior (secagem);

Entre 350 – 650 ºC ocorre combustão das substâncias orgânicas que estão

contidas na massa cerâmica, se dissociando em CO, CO2 e CH4, e na presença de

enxofre em sulfetos e sulfatos;

48

Em temperaturas entre 450 – 650 ºC acontece o que se denomina de pré-

sinterização, onde ocorre decomposição dos argilominerais. Exemplo desta

decomposição acontece, através de reação endotérmica, na dissociação da caulinita

(Al2Si2O5 . (OH4)) parar formar H2O, esta água formada é denominada de água de

hidratação. Outra reação durante a pré-sinterização, não muito comum nas argilas

de Campos dos Goytacazes- RJ, é a oxidação da pirita (FeS2), mineral este presente

em argilas para fabricação de cerâmica vermelha, que se oxida para Fe2O3 e SO3

providenciando a cor avermelhada nos produtos;

Em 575 ºC, o quartzo (SiO2) sofre transformação alotrópica de quartzo α

para quartzo β, que lhe dá o aumento de aproximadamente 8% de seu volume. Por

isto, o operador do forno deve ter mais cautela quando estiver próximo desta

temperatura, reduzindo a taxa de aquecimento para não provocar rachaduras e

trincas nas peças;

Entre 800 – 950 ºC os carbonatos se decompõem liberando CO2. Este

composto é volatilizado, como consequência, há aumento da porosidade e redução

da resistência mecânica;

Acima de 700 ºC acontecem as reações entre a sílica (SiO2) e alumina

(Al2O3) com os elementos fundentes, formando os sílico-aluminatos. Eles são

responsáveis por estabelecer as propriedades de dureza e estabilidade química.

Estas reações são denominadas de sinterização;

Acima de 1000 ºC ocorre a fusão dos sílico-aluminatos, sendo apresentados

na forma vítrea, que ao englobar as partículas menos fundentes aumenta a dureza e

compactação do material, além de reduzir a porosidade. Este fenômeno é

acompanhado da contração volumétrica, e é designado de gresificação;

Depois de alcançar a temperatura máxima de queima, para a cerâmica

vermelha se dá em média a 1000 ºC inicia-se o processo de resfriamento parando

de alimentar combustível. Neste processo são mantidas as propriedades alcançadas

com a elevação da temperatura.

4.3.4.1. Curva de queima teórica

Diante do exposto, viu-se que no decorrer da queima as peças passam por

pontos críticos provocados pelo aumento de temperatura. Nestes pontos é preciso

ter cautela por parte do operador do forno, visto a grande probabilidade de

49

ocorrência de defeitos. Por isso é necessário estabelecer previamente a curva de

queima teórica, que representa a relação entre o tempo e a temperatura

empregados no processo. A taxa de aquecimento ou de resfriamento nestes pontos

deve ser lenta o suficiente para ocorrer homogeneização da temperatura em todo o

corpo cerâmico sem que haja defeitos (PADOA, 1990; IBAÑES; SANDOVAL, 1996).

Para determinar a curva de queima ótima, deve-se considerar um tempo

mínimo de tratamento térmico sem que haja perdas no processo. Para isto, se utiliza

de algumas técnicas para análises térmicas. A análise dilatométrica é

particularmente útil para apurar a curva de queima, pois de fato, ela é capaz de

diagnosticar as variações dimensionais ocorridas em intervalos curtos de

temperatura. Este conhecimento proporciona não só a redução da taxa de

aquecimento/resfriamento nestes intervalos de temperatura, mas também ao

aumento desta taxa em que não são observadas variações dimensionais críticas. Na

prática, a curva obtida não será a mesma que a elaborada teoricamente por causa

das variáveis inerentes ao processo que não podem ser controladas, mas deve-se

aproximar ao máximo (PADOA, 1990; IBAÑES; SANDOVAL, 1996). As análises

termo-gravimétrica e térmica diferencial auxiliam na determinação dos pontos

críticos, por meio de gráficos que determinam a variação da massa e das reações

que absorvem ou liberam calor sofridas pelos materiais quando submetidos ao

processo térmico (PADOA, 1990).

50

5. MATERIAIS E MÉTODOS

5.1. Matérias-primas

As massas cerâmicas foram formuladas utilizando quatro matérias-primas,

sendo três argilas de localidades distintas e uma areia quartzoza. As argilas são

oriundas de Campos dos Goytacazes – RJ, denominada argila C, de Itaboraí – RJ,

denominada argila I e Muriaé – MG, denominada argila M. As argilas C e I foram

coletadas na Cerâmica Arte Sardinha, localizada no município de Campos dos

Goytacazes – RJ. A argila M foi coletada em uma cerâmica localizada no município

de Muriaé – MG, escolheu-se esta argila devido ao fato dos produtos desta cerâmica

apresentarem propriedades de qualidade reconhecida. A areia é oriunda de Campos

dos Goytacazes – RJ, e já é utilizada na formulação de massas cerâmicas,

principalmente para fabricação de tijlos e blocos.

5.2. Métodos

5.2.1. Beneficiamento das matérias-primas

As matérias-primas passaram pelo processo de secagem à estufa em ± 110

ºC durante 24 horas, após, foram destorroadas com auxílio de almofariz e pistilo.

Para elaboração dos corpos de prova, do ensaio de distribuição de tamanho de

partículas e dilatometria as argilas foram peneiradas em 20 mesh; para análise de

plasticidade em 40 mesh e para caracterização química, caracterização mineralógica

por difração de raio X e por análise térmica foram passados em 200 mesh.

5.2.2. Caracterização das matérias-primas

5.2.2.1. Caracterização química

A composição química, determinada pelo método de espectroscopia de

fluorescência de raios X, foi realizada no Laboratório de Desenvolvimento e

Caracterização de Materiais - LDCM do Centro de Tecnologia em Materiais da

51

unidade de Criciúma – SC da Instituição SENAIsc. O equipamento utilizado é da

marca Unicam e modelo Solar 969.

5.2.2.2. Caracterização mineralógica

5.2.2.2.1. Difração de raios X

A composição mineralógica, determinada pelo método de difração de raios X,

foi realizada no Laboratório de Materiais Avançados – LAMAV do Centro de Ciências

Tecnológicas da Universidade Estadual Norte Fluminense Darcy Ribeiro (UENF). O

XRD7000 foi o difratômetro utilizado, da marca Shimadzu, e operou com radiação

cobre (Cu-Kα) e varredura 2θ variando de 3º a 60º, com passo de 0,02º e tempo de

5s.

5.2.2.2.2. Dilatometria

Foi realizada análise dilatométrica como caráter complementar na

identificação das fases mineralógicas das matérias-primas. O DIL 402 PC foi o

equipamento utilizado, da marca Netzsch, e operou de acordo com os seguintes

parâmetros, temperatura final de 1050 ºC, com taxa de aquecimento de 10 K/min.

Foram utilizados 2g das amostras, prensadas com 5% de umidade e diâmetro de

aproximadamente 10 mm.

5.2.2.3. Caracterização física

5.2.2.3.1. Distribuição de tamanho de partículas

A análise granulométrica das matérias-primas foi executada por peneiramento

e sedimentação de acordo com a norma NBR 7181/84, no Laboratório de

Engenharia Civil – LECIV da UENF. Inicialmente, as amostras passaram por

operações preliminares de peneiramento grosseiro (10 mesh) e peneiramento fino

(até 200 mesh). Para a realização do ensaio de sedimentação o material foi

peneirado em 200 mesh.

52

5.2.2.3.2. Plasticidade

A plasticidade das massas foi determinada de acordo com os limites de

Atterberg, em que o limite de liquidez baseou-se na NBR 6459/84 e o limite de

plasticidade na NBR 7180/84. O índice de plasticidade é dado por:

IP = LL − LP (5)

Em que:

IP: Índice de plasticidade;

LP: Limite de plasticidade, expresso em %;

LL: Limite de liquidez, expresso em %.

5.2.3. Formulação das massas cerâmicas

As massas cerâmicas foram formuladas objetivando a produção de telhas. Os

métodos escolhidos para determinar as composições de cada matéria-prima foram o

diagrama de Winkler e a programação linear.

As formulações utilizando o diagrama de Winkler foram elaboradas

posicionando as matérias-primas no diagrama, e identificando formulações que

foram enquadradas na região B, Figura 21 (pág. 34), a qual é apropriada para

fabricação de telhas.

A formulação determinada pela programação linear baseou-se na

identificação de massas cerâmicas que já são utilizadas para fabricação de telhas de

reconhecida qualidade técnica, denominadas massa padrão. A partir disso, tanto as

matérias-primas, quanto a massa padrão foram caracterizadas quimicamente

(Tabela 9), ou seja, foram determinados os teores de óxidos presentes.

Tabela 9. Composição química das massas cerâmicas modelo padrão e das

matérias-primas em estudo

Santa

Catarina(1) Piauí(1) Portugal(1) Areia Itaboraí Muriaé Campos

SiO2 68,35 61,39 63,94 86,66 56,85 60,7 57,6

Al2O3 15,60 19,74 18,68 07,53 24,29 22,91 21,4

Fe2O3 05,96 06,93 06,05 00,82 06,36 04,31 07,37

53

TiO2 01,17 01,11 00,76 00,31 01,02 01,19 01,07

K2O 01,36 02,2 02,82 01,90 01,69 01,11 02,42

Na2O 00,23 00,23 00,32 00,67 00,05 00,79 00,59

CaO 00,14 00,31 00,09 00,45 00,12 00,69 00,40

MgO 00,71 00,91 01,56 00,00 00,97 00,34 01,17

Perda ao fogo

05,83 06,91 05,57 01,34 08,54 07,72 07,69 (1)

Vieira; Soares; Monteiro (2003).

Portanto, foram formuladas equações lineares de forma que a composição

química das formulações reproduza a composição química da massa padrão, a

partir de distintas combinações das matérias-primas. A reprodução da composição

química foi realizada selecionando os dois principais óxidos contidos nas argilas e

nas massas cerâmicas, que são o Al2O3 e o SiO2, e também a perda ao fogo. Assim,

foram determinadas faixas de composição química selecionando os teores máximos

e mínimos dos óxidos (SiO2, Al2O3) e da perda ao fogo das massas cerâmicas

modelo padrão. Portanto, foram obtidos as seguintes equações:

Funções objetivo:

𝑆𝑖𝑂2 = 86,66 ∗ 𝐴 + 56,85 ∗ 𝐼 + 60,7 ∗ 𝑀 + 57,6 ∗ 𝐶 (

(6)

𝐴𝑙2𝑂3 = 7,53 ∗ 𝐴 + 24,29 ∗ 𝐼 + 22,91 ∗ 𝑀 + 21,4 ∗ 𝐶 (

(7)

𝑃𝐹 = 1,34 ∗ 𝐴 + 8,54 ∗ 𝐼 + 7,72 ∗ 𝑀 + 7,69 ∗ 𝐶 (

(8)

Restrições:

61,39 ≤ 𝑆𝑖𝑂2 ≥ 68,35 (

(9)

15,6 ≤ 𝐴𝑙2𝑂3 ≥ 19,74 (

(10)

54

5,57 ≤ 𝑃𝐹 ≥ 6,91 (

(11)

Em que:

𝐴 = Porcentagem de areia na massa cerâmica formulada

𝐶 = Porcentagem da argila C na massa cerâmica formulada

𝐼 = Porcentagem da argila I na massa cerâmica formulada

𝑀 = Porcentagem da argila M na massa cerâmica formulada

𝑃𝐹 = Perda ao fogo

O software utilizado para resolver o sistema de equações foi o Excel, por meio

do Solver, o qual é um add-in que objetiva a resolução de problemas de

programação linear.

5.2.4. Elaboração dos corpos de prova

Os corpos de prova foram elaborados no LAMAV/UENF. As massas foram

umedecidas com 8% de água, calculadas sobre a massa seca, e peneiradas em

malha de 20 mesh e posterior acondicionamento em sacos plásticos.

A conformação foi realizada por prensagem uniaxial na prensa de marca

Shultz e modelo PHS 30 ton. A matriz tem dimensões de 11,5 cm x 2,5 cm, e a

carga de compactação foi de 10 ton, fornecendo uma pressão de ±34,5 MPa.

Após, os corpos de prova foram secos em estufa a ±110 ºC por 24h, ou até

obtenção de peso constante.

Realizou-se a queima em forno laboratorial, com temperaturas de 750 ºC, 850

ºC, 950 ºC e 1050 ºC. A taxa de aquecimento foi de 2 ºC/min, com 120 min de

permanência na temperatura de patamar.

5.2.5. Determinação das propriedades

5.2.5.1. Plasticidade

A plasticidade das massas formuladas foi obtida por meio dos limites de

Atterberg, como indicado no Item 5.2.2.3.2.

55

5.2.5.2. Densidade aparente a seco

Calculou-se a densidade aparente a seco de acordo com a Equação 6.

Pap =m

V (12)

Em que:

Pap = Densidade aparente da peça seca(g/cm³);

m = Massa do corpo seco (g);

V = Volume do corpo seco(cm³).

5.2.5.3. Absorção de água

Este ensaio foi executado de acordo com a norma ASTM C373-72. Os corpos

de prova foram secos em estufa ±110 ºC por 24 h, e teve suas massas medidas. Em

seguida, foram colocados em recipiente contendo água fervente por 2 h. Logo após,

retirou-se a água superficial e pesou-se novamente. O cálculo da AA foi realizado de

acordo com a Equação 7.

AA (%) =𝑚𝑢 − 𝑚𝑠

𝑚𝑠 x 100 (13)

Em que:

AA = Absorção de água, expressa em % de água absorvida;

𝑚𝑢 = massa úmida, expressa em g;

𝑚𝑠 = massa seca, expressa em g.

5.2.5.4. Retração linear

A retração linear foi calculada por meio da Equação 8.

56

𝑅𝐿 (%) = (𝐿0 − 𝐿

𝐿0) ∗ 100 (14)

Em que:

RL = Retração linear, expressa em % de dimensão retraída;

𝐿0 = Comprimento do corpo de prova seco, expresso em mm;

L = Comprimento do corpo de prova queimado, expresso em mm.

5.2.5.5. Tensão de ruptura à flexão

A tensão de ruptura à flexão foi calculada por meio da Equação 9.

σ = 𝟑 ∗ 𝑳 ∗ 𝑷

𝟐 ∗ 𝒃 ∗ 𝒅𝟐 (15)

Em que:

σ = Tensão de ruptura à flexão, expressa em MPa;

P = Carga aplicada, expressa em N;

L = Distância entre apoios, expressa em mm;

b = Largura do corpo de prova, expressa em mm;

d = Altura do corpo de prova, expressa em mm.

A carga aplicada foi determinada de acordo com a norma ASTM C674-77 por

meio do ensaio de tensão de ruptura à flexão por três pontos, utilizando uma

máquina universal de ensaios de marca Instron e modelo 5582.

5.2.6. Caracterização microestrutural

Para observação da textura da superfície interna dos corpos de prova, foi

utilizado o microscópio eletrônico de varredura da marca Shimadzu e modelo SSX-

550, para técnica de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), e o microscópio

confocal da marca Olymlpus e modelo CGA, para a técnica de Microscopia Ótica

(MO).

57

6. RESULTADOS E DISCUSSÃO

6.1. Análise mineralógica

Nas Figura 26 a 28, estão representados os difratogramas das argilas de

Campos (C), Muriaé (M) e Itaboraí (I), respectivamente. Observa-se que as argilas

possuem picos característicos de quartzo (SiO2), feldspato potássico, podendo ser

microclina (KAlSi3O8) ou ortoclásio (KAlSi3O8), e caulinita (Al2O3.2SiO2.2H2O). A

argila C possui ainda picos relativos aos minerais gibbsita (Al(OH)3) e mica

(K2O.Al2O3.6SiO2.2H2O). Por sua vez, argila M possui ainda picos relativos aos

minerais albita ((Na1-0,9, Ca0-0,1)Al(Al0-0,1,Si1-0,9)Si2O8) e montmorilonita

(Al4Si87O20(OH)4.nH2O).

O quartzo é um mineral acessório naturalmente encontrado nas argilas. Este

mineral atua como inerte durante o tratamento térmico da cerâmica vermelha, devido

ao seu alto ponto de fusão. No entanto, sua presença influencia nas propriedades

físicas da peça queimada. Quando atinge a temperatura de 573 ºC, o quartzo sofre

uma transformação alotrópica reversível, da forma quartzo α (baixa temperatura)

para quartzo β (alta temperatura), acompanhado de uma variação volumétrica

(RIELLA; ZAUBERAS, 2001). Deste modo, tensões são geradas na peça, podendo

surgir trincas, comprometendo a resistência mecânica. Estas tensões são mais

problemáticas durante o resfriamento, pois a peça já se encontra sinterizada,

reduzindo a capacidade do corpo cerâmico em absorver estas tensões (BRAGANÇA

et. al, 2001). Além disso, o quartzo também influencia na absorção de água e

retração de queima, pois como não participa efetivamente da sinterização, ele não

atua na formação de fase líquida, e como consequência, prejudica o fechamento dos

poros (SANTOS, 1989).

O feldspato é o mineral considerado fundente para a indústria cerâmica, isto

se deve à sua composição química. Composto por potássio (microclina ou

ortoclásio) ou sódio (albita), estes elementos químicos atuam formando eutéticos

com a sílica (ROEDDER, 1959). A mica pode também atuar como fundente na

massa cerâmica, desde que esteja com tamanho de partícula reduzido (SANTOS,

1989).

A caulinita, possivelmente o argilomineral mais predominante em todas as

argilas, possue partículas hexagonais com diâmetros variáveis entre 0,05 e 10 µm.

58

Em consequência da formação deste argilomineral, encontra-se frequentemente em

conjunto com outros minerais como o quartzo, sulfetos, feldspatos, micas e óxidos

de ferro e titânio (Norton, 1983). A caulinita se transforma em metacaulinita devido

ao tratamento térmico em temperaturas entre 450 a 650 ºC, e a metacaulinita dá

origem à formação de mulita em temperaturas ainda mais elevadas, estas

transformações são acompanhadas de mudanças na densificação e nas

propriedades físico-mecânicas das peças (GONZÁLEZ; CARRERAS; RUIZ, 2007).

A gibbsita contribui para o aumento da refratariedade da argila, devido à sua

desidroxilação em 260 ºC, transformando-se em alumina (Al2O3). A desidroxilação é

acompanhada também de perda de massa, influenciando na retração de queima e

nas demais propriedades, como absorção de água e resistência mecânica, portanto

a presença deste mineral na massa cerâmica é indesejável (VIEIRA; SOARES;

MONTEIRO, 2003).

O argilomineral montmorilonita possui pequeno diâmetro e são extremamente

finas, devido à natureza de sua estrutura cristalina. Por isso, possui grande área

superficial específica e elevado grau de propriedade plástica. Cabe ressaltar ainda

que pode haver substituição isomórfica em porcentagem moderada neste

argilomineral (SANTOS, 1989).

10 20 30 40 50 60

0

20

40

60

80

100

M

K

M M

Q

FK

K

Q

FK

FK

M

Q

QQFK

QQ

Q Q QGI M

MFK

Q QK

Campos

2(graus)

M - Mica

Q - Quartzo

Fk - Feldspato Potássico

Gi - Gibbsita

K - Caulinita

Inte

nsid

ad

e R

ela

tiva

(%

)

K

Figura 26. Difratograma de raios X da argila Campos.

59

10 20 30 40 50 60

0

20

40

60

80

100

Mo

Mo

K

Mo

Q

Al Al

K

Q

Fk

Q

Q

QQ Q

QQQ

Q

Fk

Mo

Fk

Muriaé

2(graus)

Q - Quartzo

Al - Albita

Mo - Montmorilonita

Fk - Feldspato Potássico

K - CaulinitaIn

tensid

ad

e R

ela

tiva

(%

)

Figura 27. Difratograma de raios X da argila Muriaé.

0 10 20 30 40 50 60

0

800

1600

Itaborai

Gi, M

C - Caulinita

Gi - Gibsita

H - Hematita

I - Ilita

M - Mica Muscovita

Q - Quartzo

Inte

nsid

ad

e

(grau)

C Q

CQ

IM

Gi,

MI

M

IGi, H

Gi, M

Gi

Figura 28. Difratograma de raios X da argila Itaboraí.

6.2. Análise química

Na Tabela 10 está representada a composição química das matérias-primas

utilizadas nas formulações e da argila taguá, considerada argila padrão, expressa

60

em porcentagem de óxidos. Quimicamente, é possível notar certa semelhança entre

as argilas C, M e I. Há predominância dos óxidos SiO2 e Al2O3, os teores de óxidos

cromóforos (Fe2O3 + TiO2), que são responsáveis pela coloração da peça queimada,

definem a coloração avermelhada do produto final, devido à predominância do Fe2O3

em todas as argilas. Em relação aos percentuais de óxidos fundentes (Na2O, K2O,

CaO e MgO), há pouca variação entre as argilas, em termos de percentuais totais,

sendo de 4,58% para a argila C, 2,83% para a argila I e 2,93% para argila M. Por

sua vez a areia é composta essencialmente por SiO2, devido à sua natureza

mineralógica, ou seja, é basicamente quartzo.

Tabela 10. Composição química das matérias-primas

Composição Argilas

I C M Areia Taguá(1)

SiO2 56,85 57,60 60,70 86,66 66,47

Al2O3 24,29 21,40 22,91 7,53 12,76

Fe2O3 06,36 07,37 04,31 00,82 04,57

TiO2 01,02 01,07 01,19 00,31 00,55

K2O 01,69 01,69 01,11 01,90 02,87

Na2O <00,05 00,59 00,79 00,67 02,31

CaO 00,12 00,40 00,69 00,45 03,24

MgO 00,97 01,17 00,34 00,00 03,01

Perda ao

fogo 08,54 07,69 07,72 01,34 04,21

(1) Vieira (2001).

A argila C, oriunda de Campos dos Goytacazes – RJ, possui composição

química diferente daquelas tipicamente encontradas em argilas da região por outros

pesquisadores. Este fato deve-se, provavelmente, ao local da coleta da matéria-

prima. Assim, por ser um material de origem natural, a argila está sujeita a variações

em sua composição mineralógica, bem como química. Logo, verifica-se que ao

comparar com os resultados abordados na revisão de literatura, a argila C, possui

maior teor de SiO2 e menor teor de Al2O3. No entanto, ao comparar-se com a argila

taguá, nota-se que o valor de SiO2 necessita ser aumentado, assim como o valor de

Al2O3 necessita ser reduzido. Há ainda o fato das argilas da região de Campos dos

61

Goytacazes – RJ serem consideradas refratárias, devido à quantidade de caulinita e

da presença do mineral gibbsita, além do fato de haver pouca quantidade de óxidos

fundentes. Ao comparar-se com a argila taguá é possível notar esta diferença de

teor de óxidos fundentes. Por sua vez, o valor da perda ao fogo, que nas argilas de

Campos dos Goytacazes está relacionada principalmente à quantidade de

argilominerais e de hidróxidos, é aproximadamente 83% maior que da argila taguá.

As argilas M e I também possuem teor de SiO2 abaixo do apresentado pela

argila taguá, assim como o teor de Al2O3 acima. Em relação à perda ao fogo e ao

teor de óxidos fundentes, o mesmo observado para a argila C se aplica às argilas M

e I. Portanto, necessita-se reduzir a perda ao fogo, seja por meio da adição de

matérias-primas grosseiras, relacionadas ao quartzo, ou de outra matéria-prima

capaz de atuar como inerte na faixa de temperatura de queima para cerâmica

vermelha, bem como se necessita aumentar o teor de óxidos fundentes. No entanto,

este trabalho limitou-se em pesquisar argilas próximas à região de Campos dos

Goytacazes – RJ, para que, caso haja resultados favoráveis, o custo do frete para

trazer estas matérias-primas para o pátio das empresas em Campos não seja um

fator limitante. Assim, as argilas M e I foram escolhidas para reformular massas

cerâmicas para telhas contem a argila C, pelo fato de suas composições

mineralógicas serem capazes de posicionar as formulações na devida área

apropriada para fabricação de telhas.

A composição química das formulações, W1, W2 e SE, bem como as massas

cerâmicas consideradas padrão, estão referenciadas na Tabela 11. Deste modo,

nota-se que somente a formulação SE possui composição química compatível com

as massas cerâmicas modelo padrão, devido à sua metodologia de formulação, a

qual se baseou na composição química. No entanto, ressalta-se que a real influência

nas propriedades dos corpos cerâmicos não se deve à composição química da

massa cerâmica, e sim pela composição mineralógica (XAVIER et al., 2008). Como

a composição química se dá em função da composição mineralógica, a formulação

por sistema de equações baseada na composição química é uma forma de se

aproximar à composição mineralógica também. A vantagem deste método é seu

preço e tempo de execução menor, em relação a um método baseado

exclusivamente na composição mineralógica, por exemplo. Em relação às

formulações W1 e W2, verifica-se a semelhança entre elas, devido às mesmas

matérias-primas serem usadas em sua formulação.

62

Normalmente, a sílica, SiO2, está presente como quartzo, ou combinada com

Al2O3 formando a estrutura cristalina dos diversos argilominerais. No entanto, podem

existir outros minerais acessórios presentes nas argilas que também contêm SiO2,

dentre eles destacam-se alguns silicatos, como os feldspatos e as micas. A alumina,

Al2O3, pode também estar presente como gibbsita, qual é uma forma mineral do

hidróxido de alumínio (Al(OH)3), ou raramente como boemita, de composição AlOOH

(MONTEIRO; VIEIRA, 2002; SANTOS et. al, 2009). Para as argilas que contém a

caulinita como argilomineral predominante, como nas argilas de Campos dos

Goytacazes – RJ, a relação SiO2/Al2O3 é um parâmetro indicativo da quantidade

deste argilomineral. A caulinita teórica tem o valor de 1,18 para esta relação, logo,

deduz-se que, quanto mais próximo desta relação a massa cerâmica estiver, maior

será a quantidade deste argilomineral. Para tanto, a argila C tem o valor de 2,69

para esta relação, logo, nota-se a probabilidade desta argila ter maior quantidade de

quartzo e menor quantidade de caulinita comparativamente à outras argilas já

reconhecidas por suas características ótimas para produção de cerâmica vermelha

(VIEIRA, 2001).

O óxido de titânio é encontrado com frequência, em teores menores que 2%

na maioria das argilas, por isso praticamente não causa alteração nas propriedades

tecnológicas das cerâmicas. As fases cristalinas mais comuns deste óxido

encontradas em argilas são rutilo, ilmenita e anatásio.

Por sua vez, o óxido de ferro é o principal composto cromóforo encontrado

nas argilas queimadas. Os minerais à base de ferro mais comuns nas argilas são

goethita (FeO(OH)), hematita (Fe2O3), magnetita (Fe2O3.FeO), pirita (FeS2) e

limonita (Fe(OH)3.nH2O) (SANTOS, 1989). Em argilas com teor de Fe2O3 maior que

2,5% já se é possível constatar a coloração avermelhada característica do grupo de

cerâmica vermelha, e com apenas 1% a argila se torna amarela. Destaca-se ainda

que nem sempre há proporcionalidade entre a cor e a quantidade de óxidos de ferro

indicados na análise química, pois o ferro pode estar combinado com outros

componentes da argila, formando vidros. Há ainda o fato de que a formação de

mulita pode afetar consideravelmente a cor de queima, pois esta fase é capaz de

absorver alguns íons de ferro. Seja pela desodroxilação e/ou pela oxidação, todos os

compostos de ferro, em atmosfera oxidante, se convertem em hematita. Por isto, ela

é a fase responsável por conferir a coloração avermelhada na peça queimada

(CONSERVA e. al., 2014).

63

De acordo com Monteiro e Vieira (2002), os óxidos alcalinos terrosos (CaO e

MgO) estão geralmente associados aos carbonatos, portanto, nota-se a quase

completa ausência de carbonatos nas argilas estudadas. Estão presentes na argila,

principalmente, na forma de calcita, dolomita e gipsita (SANTOS, 1989). Os

carbonatos se decompõem durante o aquecimento por volta de 820 ºC, dando

origem ao óxido de magnésio, e à 950 ºC dando origem ao óxido de cálcio, ambos

com perda de massa devido à liberação de CO2. Deste modo, esta dissociação é

acompanhada do surgimento de porosidade, que quando em contato com a

superfície, se torna aberta, contribuindo para o aumento da absorção de água e

redução da retração linear de queima (MARINO; BOSCHI, 2000). Existe ainda a

relação entre estes sais e o surgimento de eflorescência, qual é uma patologia

frequenta nos produtos de cerâmicas tradicionais (FERREIRA, BERGMANN, 2011).

Os óxidos alcalinos (Na2O e K2O) estão geralmente ocupando a estrutura

cristalina de alguns argilominerais, ou também podem ocorrer em compostos como

feldspatos e mica (MONTEIRO; VIEIRA, 2002). Estes óxidos são considerados

fundentes, devido à capacidade de formarem eutéticos com SiO2, contribuindo para

a formação de fase líquida (ROEDDER, 1959). Deste modo, sabendo-se que a

formação de fase líquida é o principal mecanismo de sinterização da cerâmica

vermelha, ela tende a preencher as cavidades do corpo cerâmico, devido ao

fenômeno de capilaridade. Contribuindo deste modo, para a eliminação de

porosidade (aberta e fechada), melhoria da resistência mecânica, redução da

absorção de água e aumento da retração linear de queima (RIELLA;

FRANJNDLICH; DURAZZO, 2002).

A perda ao fogo (PF) é o parâmetro indicativo da presença de argilominerais e

hidróxidos na massa cerâmica, quais são detectados devido à eliminação da água

de constituição, de matéria orgânica, quando presentes, devido à liberação de

componentes voláteis durante sua combustão, e de carbonatos e sulfatos, devido à

decomposição durante o aquecimento (SANTOS, 1989). Uma excessiva perda ao

fogo acarreta retração e porosidade após queima, reduzindo a resistência mecânica

e aumentando a absorção de água da peça queimada. Comparativamente, as

argilas em estudo possuem PF próximas às consideradas ideiais por Vieira, Soares

e Monteiro (2003). Há indicação de que estas argilas são consideradas magras, pois

provavelmente, possuem baixo teor de argilominerais.

64

Tabela 11. Composição química das massas cerâmicas.

Composição

Massas cerâmicas

W1 W2 SE Piauí (1) Portugal

(1)

Santa

Catarina

(1)

SiO2 59,35 58,26 62,81 61,39 63,94 68,35

Al2O3 22,74 22,47 18,87 19,74 18,68 15,60

Fe2O3 05,38 06,31 05,32 06,93 06,05 05,96

TiO2 01,13 01,09 00,89 01,11 00,76 01,17

K2O 01,34 01,53 01,31 02,20 02,82 01,36

Na2O 00,63 00,52 00,36 00,23 00,32 00,23

CaO 00,53 00,41 00,29 00,31 00,09 00,14

MgO 00,64 00,90 00,78 00,31 01,56 00,71

Perda ao

fogo 07,84 07,89 06,64 06,91 05,57 05,83

(1) Vieira; Soares; Monteiro (2003).

6.3. Distribuição granulométrica

As Figuras 29 a 31 contêm a distribuição granulométrica das argilas em

estudo. Nestas figuras, as diferentes faixas de diâmetro dos grãos estão associadas

à classificação argila, silte e areia, conforme preconiza Santos (1989) por meio da

International Society of Soil Science. A faixa argila corresponde às partículas com

diâmetro esférico equivalente < 2 μm, a fração silte corresponde à faixa entre 2 – 20

μm e a fração areia corresponde às partículas > 20 μm. Assim, a argila C classificou-

se em 22% de fração argila, 16% de fração silte e 62% de fração areia, a argila M

classificou-se em 60% de fração argila, 19% de fração silte e 21% de fração areia, a

argila I classificou-se em 56% de fração argila, 30% de fração silte e 14% de fração

areia.

65

Figura 29. Distribuição granulométrica da argila Campos.

Figura 30. Distribuição granulométrica da argila Muriaé.

66

Figura 31. Distribuição granulométrica da argila Itaboraí.

De acordo com o diagrama de Winkler (Figura 32), isoladamente, nenhuma

das três matérias-primas era adequadas para fabricação de quaisquer produtos,

mas devidamente combinadas, foram formuladas duas massas apropriadas à

fabricação de telhas. Este tipo de produto necessita de uma massa cerâmica

plástica, contendo entre 30 – 50% de partículas < 2 μm. As argilas M e I foram

escolhidas para fazerem parte das formulações, pois são capazes de elevar a

quantidade da fração de argilomineral das massas formuladas contendo a argila C.

A utilização da argila C desloca as misturas para baixo do diagrama, afastando-as

da fração < 2 μm e aproximando-se da fração areia (> 20 μm). Dentro do triângulo

desenhado na Figura 32 estão todas as possíveis formulações que podem ser feitas.

Dentre elas, as escolhidas (Tabela 12) estão indicadas dentro deste triângulo (Figura

32). Em que a formulação W1 contém 25% da argila C, 60% da argila M e 15% da

argila I, e a formulação W2, contém 50% da argila C, 27% da argila M e 23% da

argila I. A argila C destaca-se por apresentar partículas grosseiras, geralmente

relacionadas ao quartzo, e as outras matérias-primas têm domínio de partículas

menores, associadas à argilominerais (SANTOS, 1989). As densidades reais dos

grãos das três matérias-primas são próximas, sendo 2,79 g/cm3 para C, 2,68 g/cm3

para I e 2,67 g/cm3 para M.

A formulação a partir do sistema de equações foi realizada com base nas

argilas consideradas modelo padrão segundo Vieira, Soares e Monteiro (2003).

67

Portanto, foram selecionadas as argilas C, M e I e areia para compor a massa

cerâmica de modo a reproduzir a composição química das argilas modelo padrão.

Assim, a formulação feita por meio do sistema de equações, demonstrada na Tabela

12, ficou sendo como SE, contendo 37% da argila C, 16% da argila M, 30% da arglia

I e 17% de A.

Tabela 12. Massas cerâmicas estudadas.

Argilas Massas cerâmicas (%)

C M I W1 W2 SE

C 100 0 0 25 50 37

M 0 100 0 60 27 16

I 0 0 100 15 23 30

Areia 0 0 0 0 0 17

Figura 32. Distribuição de tamanho de partículas das argilas posicionadas no

diagrama de Winkler.

6.4. Dilatometria

As curvas de dilatometria, representadas na Figura 33, das argilas M e I e das

formulações W1 e W2 possuem aspectos comuns. As curvas da argila C e da

68

formulação SE se diferenciam das demais, pois suas composições mineralógicas

influenciam certo comportamento que será visto a seguir. Foi necessário dividir as

curvas em intervalos de temperatura para explicar didaticamente quais foram os

diferentes mecanismos que possivelmente produziram certos comportamentos nas

análises dilatométricas.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

-4,0

-3,5

-3,0

-2,5

-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

C

Temperatura (ºC)

(dL/

L0)

(%)

-0,12

-0,10

-0,08

-0,06

-0,04

-0,02

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

Derivada

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

-4,0

-3,5

-3,0

-2,5

-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

M

Temperatura (ºC)

(dL/

L0)

(%)

-0,18

-0,16

-0,14

-0,12

-0,10

-0,08

-0,06

-0,04

-0,02

0,00

0,02

Derivada

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

-4,0

-3,5

-3,0

-2,5

-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

I

Temperatura (ºC)

(dL/

L0)/

%

-0,30

-0,25

-0,20

-0,15

-0,10

-0,05

0,00

0,05

Derivada

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

-4,0

-3,5

-3,0

-2,5

-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

Temperatura (ºC)

(dL/

L0)

(%)

W1

-0,20

-0,15

-0,10

-0,05

0,00

Derivada

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

-4,0

-3,5

-3,0

-2,5

-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

Temperatura (ºC)

(dL/

L0)

(%)

W2

-0,25

-0,20

-0,15

-0,10

-0,05

0,00

Derivada

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

-4,0

-3,5

-3,0

-2,5

-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

Temperatura (ºC)

(dL/

L0)

(%)

-0,10

-0,08

-0,06

-0,04

-0,02

0,00

0,02

SE

Derivada

Figura 33. Dilatometria das argilas e das formulações.

Intervalo 1 – Em temperaturas a partir de 100 ºC, chegando a 200 ºC, a

estrutura experimenta um pico de contração. Logo depois, a estrutura se estabiliza

69

até cerca de 500 ºC. Isso pode ser visto nas curvas de C, M, W1, W2 e SE. Evento

este pouco perceptível na amostra I. Devido à baixa temperatura, este evento, capaz

de produzir apenas 0,25% de contração, deve estar relacionado à evaporação de

água do corpo conformado, água esta retida da umidade adicionada para

conformação.

Intervalo 2 – No intervalo entre aproximadamente 280 ºC e 340 ºC verifica-se

um pico de contração, evento este só identificado na argila C. Esta faixa de

temperatura está relacionada à desidroxilação de alguns hidróxidos, como gibbsita e

goetita (SANTOS, 1989). Portanto, como de acordo com a literatura (VIEIRA, 2001,

MONTEIRO; SANCHEZ; VIEIRA, 2004; VIEIRA; SOARES; MONTEIRO, 2003), é

comum a presença destes hidróxidos em argilas campistas.

Intervalo 3 – Começa em torno de 500 ºC e é responsável por um evento de

contração com forte declive. Este evento está relacionado à transformação da

caulinita para metacaulinita, qual promove aumento de densidade das partículas que

se transformaram. Outra possibilidade de contração envolve a formação de ligações

entre partículas de metaculinita recém transformadas, promovendo contração.

Intervalo 4 – Este evento é responsável pela mudança de inclinação na curva

de contração, em que a taxa de contração diminui. O início deste evento varia

conforme as massas, em que para todas as massas cerâmicas, exceto C, a

mudança da taxa de contração começa pouco acima de 600 ºC. Para a argila C,

começa em 570 ºC. Isto evidencia que este evento é causado pela transformação

alotrópica do quartzo. Quando ocorre esta transformação, há expansão de suas

partículas, o que causa expansão da estrutura. Quanto maior o teor de quartzo na

massa, maior é o efeito pronunciado. Por isso, a amostra C se comporta diferente.

Como as demais massas possuem menor quantidade de quartzo, a ocorrência desta

transformação apenas diminui a taxa de contração, causando a mudança de

inclinação da curva. Portanto, neste intervalo existem dois mecanismos

concorrentes: a sinterização sólida dos grãos de argila, iniciada na formação da

metacaulinita, causando contração da estrutura, e a transformação do quartzo, que

causa expansão da estrutura. Com exceção da amostra C, o primeiro mecanismo

domina e o segundo apenas consegue desacelerar a contração. Em massas com

pouco quartzo, o efeito da transformação só é aparente acima de 600 ºC. No caso

da massa I, o pico da taxa de exapansão que marca a transformação do quartzo é

bem agudo e deslocado para temperaturas mais elevadas do que nas outras

70

massas cerâmicas. Isto sugere que a transformação do quartzo cria tensões na

estrutura que a faz expandir, mas o atrito estrutural (atrito entre as partículas)

consegue resistir, até certo nível de tensão. Ultrapassando o limite de tensão a

estrutura pode expandir bruscamente, como na amostra I, ou mais suavemente,

como nas demais amostras.

Intervalo 5 – Este intervalo começa quando a taxa de contração torna a

aumentar. Isto ocorre em temperaturas próximas a 860 ºC. É possível que nesta

temperatura o efeito da expansão causada pela transformação do quartzo cessou e

o único mecanismo que persiste seja a sinterização. Portanto, este aumento pode

estar associado à formação de fase líquida envolvendo eutéticos entre SiO2 e os

óxidos alcalinos fundente (ROEDER, 1959). Este evento é o principal mecanismo

responsável pela sinterização e consolidação das partículas em cerâmicas argilosas,

e é acompanhado de redução da porosidade, favorecendo a resistência mecânica.

6.5. Propriedades das massas cerâmicas

6.6. Plasticidade

A determinação dos limites de Atterberg é, provavelmente, o método mais

utilizado na determinação da plasticidade de solos, e por meio dele, determinam-se

os limites de liquidez (LL) e plasticidade (LP). O limite de plasticidade indica a

quantidade mínima de água necessária para se moldar uma massa. Valores de LP

considerados aceitáveis para extrusão situam-se entre 22 - 24% (MÁS, 2002). O LL

indica a quantidade máxima de água que pode ser adicionada à massa cerâmica

sem que ela perca a consistência plástica. O índice de plasticidade (IP) associa-se

ao intervalo entre a faixa de consistência plástica e de lama da matéria-prima.

Índices inferiores a 10% caracterizam materiais com dificuldade de conformação por

extrusão, pois quanto menor o valor de IP, menor será a capacidade da massa

cerâmica em suportar variações na umidade de conformação sem que atinja de

lama, ou fique abaixo da consistência plástica (ABAJO, 2000).

Por meio da Figura 34, onde foram plotados os valores dos limites de

Atterberg, dispostos na Tabela 13, é possível obter um prognóstico da etapa de

conformação por extrusão das matérias-primas argilosas, como sugerido por

Heystek (1964). Observa-se que apenas a argila I situa-se fora da região de

71

extrusão aceitável ou ótima, indicando que há maior probabilidade de ocorrência de

defeitos na etapa de secagem utilizando somente esta argila. A provável causa

deste resultado é a elevada quantidade de partículas < 2 μm (56%), partículas estas

associadas aos argilominerais, responsáveis por conferir plasticidades às massas

argilosas.

A argila C é a única argila que está localizada dentro da região de extrusão

ótima, isto se deve à maior quantidade de partículas grosseiras nesta massa

contendo apenas a argila C. Estas partículas atuam como matérias-primas não-

plásticas, reduzindo o limite de plasticidade da massa argilosa. O mesmo é

observado na formulação SE, qual possui área em sua composição, portanto sua

granulometria também está associada à maior quantidade de partículas grosseiras.

Dentre as formulações observa-se que todas elas situam-se dentro da região de

extrusão aceitável, portanto há a menor probabilidade de ocorrência de defeitos na

etapa de secagem destas formulações.

Tabela 13. Limites de Atterberg para as argilas e formulações.

Limites de Atterberg Massas cerâmicas

C M I W1 W2 SE

LP 22,1 25,0 34,0 23,6 23,7 21,0

LL 42,5 56,5 78,1 57,0 58,2 49,7

IP 20,4 31,4 44,1 33,4 34,5 28,7

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

15

20

25

30

35

40

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

15

20

25

30

35

40

Lim

ite

de

Pla

stic

ida

de

(%

)

Índice de Platicidade (%)

C

M

W1W2

SE

I

Figura 34.Prognóstico de extrusão das argilas e formulações.

72

6.7. Propriedades pós-queima.

6.7.1. Densidade aparente a seco

A densidade aparente a seco (Dap) dos corpos cerâmicos está representada

na Figura 35. Para as massas contendo argila pura (C, M e I) varia entre 1,92 g/cm3

e 2,02 g/cm3, mas ao comparar a média e seu respectivo desvio padrão, deve-se

considerar que as diferenças são estatisticamente insignificantes. Estes valores, em

média, estão por volta de 73% da densidade real dos grãos. Isto representa em

torno de 27% de porosidade, o que significa que para tornar-se completamente

densa, a amostra deveria sofrer cerca de 9% de retração linear. Em relação às

formulações, a SE obteve a maior média, seguida da W1. Isto demonstra que essas

misturas foram eficientes na melhoria da densificação do corpo cerâmico, por meio

da melhor distribuição granulométrica, em relação às argilas puras. Há ainda o fato

de que o maior valor para SE pode ser devido à presença da areia, com seu

tamanho de partícula maior que os demais constituintes, pode estar contribuindo

para otimizar o empacotamento das partículas. O menor valor, observado em W2,

indica que nesta formulação a distribuição granulométrica não foi otimizada, em

relação às argilas puras.

I C M W1 W2 SE

1,8

1,9

2,0

2,1

2,2

2,3

Densi

dade A

pare

nte

a S

eco

(g/c

m3)

Figura 35. Densidade aparente a seco dos corpos cerâmicos.

6.7.2. Absorção de água

73

Na Figura 36 estão representados os valores das médias e desvios padrão da

absorção de água para os corpos cerâmicos com as formulações estudadas para

todas as temperaturas. A maior AA dentre todas as massas é encontrada em C,

seguida da formulação W2 que foram as únicas com valores maiores que o máximo

regulamentado pela NBR 15310 (2009). Estes resultados correspondem às

expectativas previstas de acordo com o resultado de granulometria, Figura 32, a

qual indica maior presença de partículas grosseiras na argila C e na formulação W2,

em especial o quartzo. A maior quantidade de quartzo, que é uma fase não reativa

na tentativa de sinterização, apresenta-se com tamanho de partícula grande e

experimenta transformações alotrópicas em 573 ºC (SANTOS, 1989), é

possivelmente responsável pela alta AA. No entanto, a argila C contém a maior

concentração de fundentes alcalinos, porém estes teores não foram suficientes para

promover formação de fase líquida satisfatória para que houvesse preenchimento

dos poros.

A menor média de AA foi para a formulação SE, para todas as temperaturas,

exceto para 1050 ºC. Isto se deve à incorporação de areia na massa cerâmica,

sugerindo que neste caso, o acréscimo na densificação (observada na Figura 35),

devido à melhora da distribuição granulométrica, e à redução da perda de massa ao

fogo, foram suficientes para superar o efeito adverso da transformação alotrópica do

quartzo (causadora de trincas).

O aumento da temperatura de queima influencia na redução da absorção de

água, qual se deve ao decréscimo da porosidade que ocorre como consequência

das reações de sinterização, devido à maior formação de fase liquida (MONTEIRO;

VIEIRA, 2002).

74

I C M W1 W2 SE

10

12

14

16

18

20

22

24

I C M W1 W2 SE

10

12

14

16

18

20

22

24

I C M W1 W2 SE

10

12

14

16

18

20

22

24

I C M W1 W2 SE

10

12

14

16

18

20

22

24

750 ºC

Abso

rção d

e á

gua (

%)

850 ºC

Abso

rção d

e á

gua (

%)

950 ºC

Abso

rção d

e á

gua (

%)

1050 ºC

Abso

rção d

e á

gua (

%)

Figura 36. Absorção de água dos corpos cerâmicos.

6.7.3. Retração linear de queima

Na Figura 37 estão representados os valores das médias e desvios padrão de

retração linear de queima (RL) para os corpos cerâmicos com as formulações

estudadas para todas as temperaturas. Monteiro e Vieira (2002) citam que o

mecanismo de RL deve-se, sobretudo, à aproximação e coalescência das partículas

durante o processo de sinterização, mas que também a perda ao fogo contribui para

o aumento desta propriedade. A maior média de RL, encontrada na argila C, foi de

4,93% indicando que há muita porosidade presente na estrutura. Provavelmente,

nestas temperaturas de sinterização, a porosidade aberta deve ser dominante. A

menor média de RL foi observada para formulação SE. Fato este possivelmente

explicado pela maior quantidade de quartzo presente na massa cerâmica, devido ao

seu caráter inerte nesta faixa de temperatura de queima, não contribuindo para a

consolidação das partículas e consequente densificação do corpo cerâmico.

75

A AA e a retração linear de queima (RL), Figura 37, se correlacionam até

certo ponto. Em geral, quanto menor AA, maior RL, pois a menor porosidade aberta

pode significar maior retração da estrutura. Porém a AA representa apenas a

porosidade aberta, não tendo correlação com a porosidade fechada, enquanto a RL

está correlacionada à porosidade total. Por isso, não há tendência de correlação

entre AA e RL.

Más (2002) sugere que a máxima RL para telhas deva ser de 2%, com intuito

de evitar excessivas variações dimensionais dos produtos, bem como para evitar as

trincas de queima, devido às tensões geradas. Dessa forma, verifica-se que nas

temperaturas de 750 ºC e 850 ºC, todas as massas cerâmicas situaram-se de

acordo com esta sugestão, indicando que a sinterização ocorre de forma sutil nestas

temperaturas. Já em 950 ºC, apenas a argila M ultrapassa o valor de RL sugerido

por Más (2002), o qual significa dizer que o mecanismo de sinterização na argila M é

mais pronunciado a partir de temperaturas menores. No entanto, nesta temperatura

a probabilidade de ocorrência de defeitos por parte das demais massas cerâmicas é

menor. Assim, até nesta temperatura, as formulações W1, W2 e SE atendem a esse

requisito. Por fim, em 1050 ºC todas as massas cerâmicas, à exceção da formulação

SE, ultrapassam o valor sugerido por Más (2002). A explicação para isto é que a

adição de areia na formulação SE, interfere no processo de sinterização devido ao

seu caráter inerte nestas temperaturas de queima.

76

I C M W1 W2 SE-1

0

1

2

3

4

5

6

I C M W1 W2 SE-1

0

1

2

3

4

5

6

I C M W1 W2 SE

-1

0

1

2

3

4

5

6

I C M W1 W2 SE

-1

0

1

2

3

4

5

6

750 ºC

Retr

açã

o L

inear

(%)

850 ºC

Retr

açã

o L

inear

(%)

950 ºC

Retr

açã

o L

inear

(%)

1050 ºC

Retr

açã

o L

inear

(%)

Figura 37. Retração linear de queima dos corpos cerâmicos.

6.7.4. Resistência mecânica

Na Figura 38 estão contidos os valores para a resistência mecânica (RM) dos

corpos cerâmicos com as formulações estudadas em todas temperaturas, avaliados

por meio da resistência à flexão por três pontos. Em todos os casos, a resistência

mecânica aumentou com o incremento da temperatura, isto é explicado pela

redução da porosidade devido à maior eficiência no processo de sinterização.

A argila C obteve a menor média e a argila I a maior média para RM, dentre

as argilas. Isto corresponde aos resultados encontrado para AA, em que a maior AA

corresponde ao maior volume de porosidade aberta, contribuindo para redução da

RM. AA e resistência mecânica (RM) tendem a se correlacionar negativamente,

portanto, quanto maior a AA, menor a RM e vice versa. A AA indica o volume de

poros abertos da estrutura, assim, quanto maior esta porosidade, menor é a

resistência da estrutura.

77

Dentre as formulações, a SE obteve a menor média. A possível explicação

para isto, é que há maior quantidade de partículas grosseiras (> 20 μm) nesta

formulação. Portanto, há maior probabilidade do surgimento de trincas devido à

transformação alotrópica do quartzo, mineral este correspondente à esta fração

granulométrica. A formulação W1 obteve a melhor média de RM em relação à argila

C para todas temperaturas, exceto para 1050 ºC. Indicando que nesta temperatura,

a sinterização foi mais eficiente para a argila C, no entanto, esta temperatura é

inviável economicamente para a fabricação de telhas, segundo informações dos

ceramistas de Campos dos Goytacazes – RJ.

Santos (1989) sugere que o valor limite de tensão de ruptura para telhas seja

de 6,37 MPa (65 kgf/cm2). Em 850 ºC, apenas a argila M atende a este requisito,

alguns fatores devem levar-se em consideração na tentativa de identificar esta

causa. Em comparação à argila I, a argila M possui menor valor de perda ao fogo,

maior teor de SiO2 e menor teor de Al2O3. Assim, a composição química sugere que

a argila M possui maior quantidade de argilominerais, confirmado pela distribuição

granulométrica (Figura 32), e provável menor quantidade de gibbsita. Assim, nesta

temperatura de sinterização, a provável maior quantidade de gibbsita na argila I,

qual dificultou a consolidação das partículas, em conjunto com maior valor de perda

ao fogo, contribuindo para o aumento da porosidade, pode ser a causa da menor

RM em comparação com a argila M nas temperaturas de 750 ºC e 850 ºC. Já nas

temperaturas de 950 ºC e 1050 ºC, a RM da argila I superou a da argila M. Indicando

que neste caso, a provável menor quantidade de quartzo na argila I atuou mais

eficientemente no mecanismo de sinterização, em comparação à argila M. Visto que

nesta última a presença de partículas grosseiras, relacionadas ao quartzo, é maior, a

qual apresenta-se como partícula inerte nestas temperaturas de queima.

A formulação W1 supera a recomendação de Santos (1989) a partir da

temperatura de 950 ºC, enquanto a formulação C somente supera este valor na

temperatura de 1050 ºC.

78

I C M W1 W2 SE2

4

6

8

10

12

14

16

I C M W1 W2 SE2

4

6

8

10

12

14

16

I C M W1 W2 SE

2

4

6

8

10

12

14

16

I C M W1 W2 SE

2

4

6

8

10

12

14

16

750 ºC

Resi

stênci

a à

Fle

xão p

or

Trê

s Ponto

s (M

Pa)

850 ºC

Resi

stênci

a à

Fle

xão p

or

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950 ºC

Resi

stênci

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Fle

xão p

or

Trê

s Ponto

s (M

Pa)

1050 ºC

Resi

stênci

a à

Fle

xão p

or

Trê

s Ponto

s (M

Pa)

Figura 38. Resistência à flexão por três pontos dos corpos cerâmicos.

6.8. Análise microestrutural

6.8.1. Microscopia Ótica

Nas Figuras 39 a 34 estão representadas as micrografias óticas dos corpos

de prova com as formulações estudadas. É possível notar que as amostras das

argilas I e M possuem aspecto mais denso, com menor quantidade de poros e

menor irregularidade da superfície, quando comparadas à amostra da argila C,

aspecto este de acordo com os resultados da RM e AA. É perceptível a presença de

quartzo nas amostras da argila C e da formulação SE, mineral este responsável por

fragilizar as peças sinterizadas.

Pode-se observar que os corpos de prova possuem a cor avermelhada

predominante, cor esta típica do grupo de cerâmica vermelha. Isto é devido à

presença de compostos contendo ferro, tendo a amostra da argila M uma coloração

79

avermelhada menos intensa, devido à menor presença de ferro na composição

química.

Verifica-se a evolução do grau de sinterização com o aumento da

temperatura. Isto se deve à maior formação de fase líquida, responsável pela

melhoria da densificação no corpo cerâmico, sendo possível observar uma

superfície menos irregular e porosa.

Figura 39. Microscopia ótica da argila

C com aumento de 430x para as

temperaturas de 750 ºC (a) e 1050 ºC

(b).

Figura 40. Microscopia ótica da argila I

com aumento de 430x para as


(b).

80

Figura 41. Microscopia ótica da argila

M com aumento de 430x para as


(b).

Figura 42. Microscopia ótica da

formulação W1 com aumento de 430x

para as temperaturas de 750 ºC (a) e

1050 ºC (b).


formulação W2 com aumento de 430x


1050 ºC (b).


formulação SE com aumento de 430x


1050 ºC (b)

81

6.8.2. Microscopia eletrônica de varredura

As Figuras 45 a 50 contêm as micrografias obtidas pela microscopia

eletrônica de varredura da superfície dos corpos de prova para as argilas e

formulações estudadas queimados na temperatura de 1050 ºC. Observam-se certas

semelhanças entre as massas M, I, W1 e W2, como uma superfície mais

homogênea, menos irregular e com menor quantidade de poros aparentes, quando

comparadas às massas C e SE. Estas últimas, em especial a SE, nota-se uma

superfície rugosa e porosa, sendo possível observar partículas de quartzo

circundadas por uma matriz amorfa. Esta irregularidade na superfície é justamente

devido à presença do quartzo, cujo mineral atua como inerte nesta temperatura de

queima e ainda sofre sua transformação alotrópica, causando microtrincas e falhas

na matriz cerâmica.

Figura 45. Microscopia eletrônica de varredura da argila C para a temperatura de

1050 ºC com aumento de 100x (a) e 400x (b).

82

Figura 46. Microscopia eletrônica de varredura da argila I para a temperatura de


Figura 47. Microscopia eletrônica de varredura da argila M para a temperatura de



temperatura de 1050 ºC com aumento de 100x (a) e 400x (b).

83


temperatura de 1050 ºC com aumento de 100x (a) e 400x (b).

Figura 50. Microscopia eletrônica de varredura da formulação SE para a temperatura

de 1050 ºC com aumento de 100x (a) e 400x (b).

84

7. CONCLUSÔES

A mistura racional de matérias-primas é uma prática fundamental no

processamento cerâmico, qual busca minimizar o caráter empírico encontrado nas

indústrias de cerâmica vermelha nesta etapa do processamento. O desenvolvimento

de formulações para a fabricação de produtos cerâmicos, além de ter impacto

positivo na condição ambiental das indústrias cerâmicas, por meio da utilização

adequada das matérias-primas e reduzindo perdas no processo produtivo,

proporciona o aumento da competividade das mesmas, por meio da redução de

custos. Isso possibilita a realização de estudos que permitam experimentar

metodologias de formulação de massas cerâmicas que possam ser replicadas nas

indústrias.

Com base nos resultados apresentados, permite-se concluir que a argila de

Campos dos Goytacazes – RJ possui alto teor de partículas grosseiras (> 20 μm),

que estão associadas ao quartzo, o que dificulta a obtenção de produtos que

possam atender às especificações técnicas das normas vigentes, em especial a

absorção de água, que deve ser de 20% para as telhas.

A incorporação das argilas de Itaboraí – RJ e de Muriaé – MG foram

identificadas como possível solução para formulação de massa cerâmica para telhas

em mistura contendo a argila de Campos dos Goytacazes – RJ. Por possuírem

maior teor de partículas < 2 μm, estas duas matérias-primas são capazes de reduzir

o teor de partículas grosseiras da argila de Campos dos Goytacazes – RJ.

A análise por difração de raios X em conjunto com a dilatometria confirmou a

predominância do mineral quartzo na argila de Campos dos Goytacazes – RJ, e

também na formulação por meio do sistema de equações.

Em relação à composição química das argilas, nota-se certa semelhança

entre elas. As argilas possuem a relação SiO2/Al2O3, teor de perda ao fogo e óxido

de ferro próximas. Já a argila de Campos dos Goytacazes – RJ destaca-se por

possuir maior teor de óxidos fundentes, no entanto, esta superioridade não foi

eficiente para superar as adversidades provocadas pela maior quantidade de

quartzo. Em relação aos outros constituintes, eles são encontrados de forma tênue

em todas as argilas.

Em relação à densidade aparente a seco, a formulação por meio do sistema

de equações adquiriu a melhor densificação. Isto foi possível pela melhor

85

distribuição granulométrica desta formulação na massa cerâmica. Esta formulação

possui também os menores valores para absorção de água, exceto para

temperatura de 1050 ºC, e retração linear de queima. Resultados estes

provavelmente devido à melhoria da densidade aparente a seco, pela adição de

areia na massa cerâmica. No entanto, a resistência mecânica foi prejudicada devido

à presença do quartzo. Dentre as argilas, elas possuíram médias de densidade

aparente a seco próximas, não podendo afirmar que houve diferença significativa.

Em se tratando das propriedades pós queima, afirma-se que todas as

formulações possuíram melhores valores de absorção de água em relação à argila

de Campos dos Goytacazes - RJ, mas apenas a formulação W1 (25% da argila C,

60% da argila M e 15% da argila I) atendeu à NBR 15310, que especifica que a

absorção de água máxima para telhas deve ser de 20%. Ainda a formulação W1

apresentou melhores valores de resistência mecânica à flexão por três pontos em

comparação com a argila de Campos dos Goytacazes – RJ.

Neste caso, foi confirmada a viabilidade do uso do diagrama de Winkler para

formulação de massas cerâmicas, devido à melhoria das propriedades de

resistência mecânica e absorção de água da formulação W1 em comparação à

argila de Campos dos Goytacazes – RJ

.

86

8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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